本發(fā)明涉及磁振子器件技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種自偏置磁振子波導(dǎo)中自旋波的調(diào)制方法。

背景技術(shù)：

1930年，瑞士物理學(xué)家布洛赫第一次提出的自旋波的概念——磁有序體中相互作用(主要是交換作用和偶極相互作用)的磁矩由于激發(fā)所引起的集體運(yùn)動(dòng)。holsteint和primakoffh對其進(jìn)行了量子化描述，并稱之為磁振子。近年來，隨著人們對磁學(xué)和電子自旋特性研究的深入，自旋波的諸多優(yōu)異特性被人們陸續(xù)發(fā)掘，以自旋波作為信息載體的磁振子器件的設(shè)計(jì)和制作成為“后cmos時(shí)代”一個(gè)極具發(fā)展前景的方向之一。

傳統(tǒng)的半導(dǎo)體集成電路技術(shù)是以載流子(電子或空穴)作為信息傳輸?shù)妮d體，而載流子在輸運(yùn)過程中會(huì)不可避免地發(fā)生能量耗散并引起發(fā)熱現(xiàn)象。隨著器件尺寸的不斷減小，這些損耗和發(fā)熱會(huì)愈加凸顯，與器件的低功耗化發(fā)展方向相悖。由于自旋波的傳輸是磁矩的集體進(jìn)動(dòng)現(xiàn)象而并不涉及到電子的輸運(yùn)，因此，以自旋波替換載流子作為信息傳輸?shù)妮d體將會(huì)極大地降低器件的功耗。

在一些低阻尼系數(shù)的磁性材料如yig中，自旋波的傳播距離可以達(dá)到厘米量級，而基于電子運(yùn)動(dòng)的自旋電流因受限于自旋擴(kuò)散長度，其傳播距離通常不超過1微米。另外，自旋波的特征頻率在ghz到thz波段，而同頻率的自旋波波長要比電磁波小幾個(gè)數(shù)量級，人們甚至可以對波長在10nm以下的波長進(jìn)行操控；而隨著波長的減小，交換作用主導(dǎo)的自旋波頻率呈平方式增大，第一布里淵區(qū)的三分之一區(qū)域里群速度呈線性增大，這使得磁振子器件在減小尺寸的同時(shí)又提高了計(jì)算速度。

磁振子波導(dǎo)作為磁振子器件的重要組成部分，除了扮演自旋波傳播載體的基本角色，更承擔(dān)著調(diào)制自旋波傳播行為，如傳播路徑、相位和色散關(guān)系的功能。最簡單的磁振子波導(dǎo)是一維納米線，因其結(jié)構(gòu)簡單而對自旋波的調(diào)制自由度極為有限；另一種波導(dǎo)是磁振子晶體，其是一種類似于光子晶體的周期性磁結(jié)構(gòu)，通過改變其周期單元的幾何結(jié)構(gòu)、周期、排列方式等可實(shí)現(xiàn)對自旋波能帶結(jié)構(gòu)的調(diào)制。

上述的兩種波導(dǎo)在正常工作時(shí)都需要外加一個(gè)偏置磁場以維持自旋波的傳播，這不僅增加了器件的功耗也同時(shí)增大了器件體積，并且兩者調(diào)制自旋波的方式不夠靈活。在專利《一種自偏置的自旋波波導(dǎo)及其制備方法》中，作者介紹了一種基于交換彈性(exchange-spring)結(jié)構(gòu)的自偏置磁振子波導(dǎo)。這種波導(dǎo)無需外加偏置場即可作為自旋波傳輸?shù)拿浇?。然而，該專利中并未涉及到基于該波?dǎo)對自旋波傳播行為的調(diào)制方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明提供一種自偏置磁振子波導(dǎo)中自旋波的調(diào)制方法，能夠在一種基于交換彈性磁結(jié)構(gòu)的磁振子波導(dǎo)上對自旋波的傳播行為進(jìn)行調(diào)制。

第一方面，本發(fā)明提供了一種自偏置磁振子波導(dǎo)中自旋波的調(diào)制方法，用于對所述波導(dǎo)中自旋波的傳播行為進(jìn)行調(diào)制，所述傳播行為包括自旋波的最大傳播頻率、截止頻率和傳播軌跡，其特征在于，所述方法包括：

調(diào)節(jié)自旋波能夠束縛在所述波導(dǎo)中間溝道中的最大傳播頻率；

調(diào)節(jié)所述波導(dǎo)兩側(cè)溝道中感生自旋波的截止頻率；

調(diào)節(jié)所述自旋波的傳播軌跡。

進(jìn)一步地，所述調(diào)節(jié)自旋波能夠束縛在所述波導(dǎo)中間溝道中的最大傳播頻率，以及所述調(diào)節(jié)所述波導(dǎo)兩側(cè)溝道中自旋波的截止頻率，通過改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜的各向異性大小來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜的各向異性大小，通過選取不同的硬磁薄膜材料來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述調(diào)節(jié)自旋波能夠束縛在所述波導(dǎo)中間溝道中的最大傳播頻率，通過改變所述波導(dǎo)中軟磁薄膜的厚度來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述改變所述波導(dǎo)中軟磁薄膜的厚度，通過控制軟磁薄膜的生長時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述調(diào)節(jié)自旋波能夠束縛在所述波導(dǎo)中間溝道中的最大傳播頻率，通過改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜和軟磁薄膜之間的交換耦合系數(shù)來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜和軟磁薄膜之間的交換耦合系數(shù)，通過在所述硬磁薄膜和軟磁薄膜之間加入絕緣層，以及調(diào)節(jié)絕緣層厚度來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述調(diào)節(jié)所述波導(dǎo)兩側(cè)溝道中感生自旋波的截止頻率，通過改變所述波導(dǎo)溝道之間的距離來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述改變所述波導(dǎo)溝道之間的距離，通過改變所述波導(dǎo)的寬度或所述波導(dǎo)中硬磁薄膜的磁化狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。

進(jìn)一步地，所述調(diào)節(jié)所述自旋波的傳播軌跡，通過改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜的磁化狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。

由上述技術(shù)方案可知，本發(fā)明提供一種自偏置磁振子波導(dǎo)中自旋波的調(diào)制方法，能夠在一種基于交換彈性磁結(jié)構(gòu)的磁振子波導(dǎo)上對自旋波的多種傳播行為進(jìn)行調(diào)制，調(diào)制方法簡單，可操作性和可控性強(qiáng)。

附圖說明

圖1為中間溝道中自旋波的最大可傳播頻率以及兩側(cè)溝道中感生自旋波的截止頻率隨硬磁薄膜各向異性變化的曲線。

圖2為波導(dǎo)寬度w＝400nm時(shí)自旋波的頻譜分布。

圖3為波導(dǎo)寬度w＝320nm時(shí)自旋波的頻譜分布。

圖4為本發(fā)明提供的基于exchange-spring結(jié)構(gòu)的磁振子波導(dǎo)示意圖。

圖5為低頻自旋波同時(shí)在中間和兩側(cè)溝道中傳播的圖像。

圖6為自旋波在中間溝道中傳播的色散曲線。

圖7為自旋波在兩側(cè)溝道中傳播的色散曲線。

圖8為高頻自旋波僅在中間溝道中傳播的圖像。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合附圖對本發(fā)明技術(shù)方案的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，因此只是作為示例，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明實(shí)施例提供了一種自偏置磁振子波導(dǎo)中自旋波的調(diào)制方法，用于對在交換彈性結(jié)構(gòu)的磁振子波導(dǎo)中傳播的自旋波進(jìn)行調(diào)制，通過該方法可以實(shí)現(xiàn)對自旋波的傳播行為的調(diào)節(jié)，其中，所述傳播行為包括自旋波在傳播溝道1中的最大傳播頻率、截止頻率和傳播軌跡等。

自旋波在交換彈性結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的三個(gè)溝道中均可以傳播。作為磁振子波導(dǎo)，當(dāng)自旋波在中間的溝道中傳播時(shí)，通過改變硬磁薄膜2的厚度、軟磁薄膜3的各向異性常數(shù)、硬磁薄膜2和軟磁薄膜3之間的交換耦合系數(shù)等參數(shù)可以調(diào)節(jié)自旋波被束縛在溝道中傳播而不會(huì)擴(kuò)散到整個(gè)薄膜中的最大頻率；通過改變溝道的距離、方向等可以調(diào)節(jié)自旋波的傳播軌跡。

所述調(diào)制方法具體為：調(diào)節(jié)自旋波能夠束縛在所述波導(dǎo)中間溝道中的最大傳播頻率，調(diào)節(jié)所述波導(dǎo)兩側(cè)溝道中感生自旋波的截止頻率，以及調(diào)節(jié)所述自旋波的傳播軌跡。

優(yōu)選地，可通過以下幾種方式實(shí)現(xiàn)對上述最大傳播頻率的調(diào)節(jié)：一，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2的各向異性大小；二，改變所述波導(dǎo)中軟磁薄膜3的厚度；三，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2和軟磁薄膜3之間的交換耦合系數(shù)。

進(jìn)一步優(yōu)選地，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2的各向異性大小，可通過選取不同的硬磁薄膜2材料來實(shí)現(xiàn)，可選擇的硬磁材料包括co/pd、co/pt、[co/pd]/fe[co/pd]、co/ni、coni/pt、cofe/pd或cofe/ni等多層膜結(jié)構(gòu)。硬磁薄膜2的各向異性越大，自旋波能夠在溝道中傳播的最大頻率越大，中間溝道中自旋波的最大可傳播頻率隨硬磁薄膜2各向異性的變化，如圖1中上側(cè)的變化曲線所示，其中，參數(shù)fmax代表上述最大可傳播頻率，mc代表中間溝道，由該曲線的變化趨勢可知，中間溝道中自旋波的最大可傳播頻率隨硬磁薄膜2各向異性增大而大。

進(jìn)一步優(yōu)選地，改變所述波導(dǎo)中軟磁薄膜3的厚度，通過控制軟磁薄膜3薄膜的生長時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。在生長軟磁薄膜3時(shí)，控制薄膜的生長時(shí)間可以得到不同厚度的軟磁薄膜3。薄膜的生長時(shí)間方便控制，使得對軟磁薄膜3的厚度的改變可控性更強(qiáng)。

進(jìn)一步優(yōu)選地，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2和軟磁薄膜3之間的交換耦合系數(shù)，可通過調(diào)節(jié)所述硬磁薄膜2和軟磁薄膜3之間絕緣層的厚度來實(shí)現(xiàn)，根據(jù)具體參數(shù)需求，還可以去掉絕緣層。絕緣層的厚度可控，用以改變上述交換耦合系數(shù)，效果明顯。

優(yōu)選地，可通過以下兩種方式來實(shí)現(xiàn)對上述截止頻率的調(diào)節(jié)：一，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2的各向異性大小；二，改變所述波導(dǎo)的溝道之間的距離。

進(jìn)一步優(yōu)選地，改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2的各向異性大小，可通過選取不同的硬磁薄膜2材料來實(shí)現(xiàn)，可選擇的硬磁材料包括co/pd、co/pt、[co/pd]/fe[co/pd]、co/ni、coni/pt、cofe/pd或cofe/ni等多層膜結(jié)構(gòu)。硬磁薄膜2的各向異性越大，自旋波能夠在溝道中傳播的最大頻率越大，兩側(cè)溝道中感生自旋波的截止頻率隨硬磁薄膜2各向異性的變化如圖1中下側(cè)的變化曲線所示，其中，參數(shù)fc代表上述截止頻率，bcs代表兩側(cè)溝道，由該曲線的變化趨勢可知，兩側(cè)溝道中感生自旋波的截止頻率隨硬磁薄膜2各向異性增大而大。

進(jìn)一步優(yōu)選地，改變所述波導(dǎo)的溝道之間的距離，通過改變所述波導(dǎo)的寬度或所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2的磁化狀態(tài)來實(shí)現(xiàn)。作為自旋波濾波器，當(dāng)感生自旋波在兩側(cè)溝道中傳播時(shí)，調(diào)節(jié)中間與兩側(cè)溝道之間的距離可以控制感生自旋波的截止頻率，其具體通過以下兩種方法實(shí)現(xiàn)對上述距離的調(diào)節(jié)：一，通過調(diào)節(jié)磁振子波導(dǎo)的寬度，可改變溝道之間的距離；二，改變硬磁薄膜2的磁化狀態(tài)，即調(diào)節(jié)四個(gè)條形磁疇的寬度，也可改變溝道之間的距離。

其中，波導(dǎo)寬度w＝400nm時(shí)自旋波的頻譜分布如圖2所示，波導(dǎo)寬度w＝320nm時(shí)自旋波的頻譜分布如圖3所示。由圖2和圖3可見，波導(dǎo)寬度不同時(shí)，感生自旋波的截止頻率也存在差異，因此可通過改變波導(dǎo)寬度來調(diào)節(jié)感生自旋波的截止頻率。

優(yōu)選地，可通過改變所述波導(dǎo)中硬磁薄膜2的磁化狀態(tài)，來實(shí)現(xiàn)對上述傳播軌跡的調(diào)節(jié)。具體地，在其他條件不變的情況下，改變硬磁薄膜2的初始磁化狀態(tài)，使條形磁疇彎曲，可以實(shí)現(xiàn)溝道的彎曲，從而改變自旋波的傳播軌跡。

其中，改變硬磁薄膜2的初始磁化狀態(tài)可通過改變條形磁疇的寬度來實(shí)現(xiàn)，改變條形磁疇的寬度實(shí)施起來具有很高的靈活性和可重構(gòu)性。

對本發(fā)明實(shí)施例的基本原理分析如下：

本發(fā)明實(shí)施例提供的自偏置磁振子波導(dǎo)中自旋波的調(diào)制方法，其目的是對自偏置磁振子波導(dǎo)中的自旋波進(jìn)行調(diào)制，其中的磁振子波導(dǎo)為專利專利《一種自偏置的自旋波波導(dǎo)及其制備方法》中所述的磁振子波導(dǎo)。該波導(dǎo)包括基片，依次形成于基片之上的永磁薄膜、絕緣介質(zhì)薄膜、軟磁薄膜和保護(hù)層形成的多層薄膜結(jié)構(gòu)，所述多層薄膜結(jié)構(gòu)在垂直于膜面的磁場中飽和磁化后，采用單極磁頭的寫入磁場局域翻轉(zhuǎn)永磁薄膜的磁化方向，即可形成自偏置的磁振子波導(dǎo)。

如圖4所示，該磁振子波導(dǎo)具有硬/軟磁薄膜3雙層膜結(jié)構(gòu)，其中在硬磁薄膜和軟磁薄膜的中間還有絕緣層，該絕緣層并未在圖4中示出。由于硬/軟磁薄膜之間存在很強(qiáng)的交換耦合作用，硬磁薄膜2的磁化狀態(tài)必然會(huì)影響軟磁薄膜3的磁矩分布。兩層薄膜距離越近，這種交換耦合作用越強(qiáng)。該波導(dǎo)中硬磁薄膜2的各向異性不同，穩(wěn)定后的磁化狀態(tài)也有所不同，進(jìn)而影響軟磁薄膜3的靜磁能，最終影響自旋波的傳播。而改變軟磁薄膜3和絕緣層的厚度均可以調(diào)節(jié)硬/軟磁薄膜3之間的交換耦合大小，從而影響自旋波的傳播行為。

同理，當(dāng)硬磁薄膜2的磁化狀態(tài)改變，條形磁疇發(fā)生彎曲時(shí)，軟磁薄膜3中的溝道也發(fā)生彎曲，從而改變的自旋波的傳播軌跡。

另外，由于磁矩之間存在偶極相互作用和交換作用，當(dāng)中間的溝道中自旋波的頻率較低時(shí)，自旋波由偶極相互作用主導(dǎo)，這種長程的偶極相互作用可以越過溝道的壁壘并在兩側(cè)溝道中誘導(dǎo)出感生自旋波，如圖5中的圖像所示，低頻自旋波同時(shí)在中間和兩側(cè)溝道中傳播，但在中間溝道傳播的色散情況與在兩側(cè)溝道中傳播的色散情況不同，圖6及圖7示出了該種情況下，自旋波在中間溝道以及在兩側(cè)溝道中傳播的色散曲線；而當(dāng)頻率較高時(shí)，自旋波的傳播由交換作用主導(dǎo)，由于交換作用是短程相互作用，因此無法越過壁壘感生出自旋波，如圖8中的圖像所示，高頻自旋波因無法越過壁壘僅在中間溝道中傳播。結(jié)合圖5和圖8中圖像和頻率的對比可知，隨著溝道距離的增大，只有更低頻率的自旋波才可以越過壁壘在兩側(cè)溝道中誘導(dǎo)出感生自旋波。

基于以上內(nèi)容，本發(fā)明實(shí)施例可以達(dá)到的技術(shù)效果是：可實(shí)現(xiàn)對自旋波的多個(gè)傳播行為的調(diào)制；在保證自旋波正常傳播的前提下，本發(fā)明提供的自旋波調(diào)制方法實(shí)現(xiàn)起來更加方便，可控性更強(qiáng)；不含有外部調(diào)制模塊，有利于減小器件的尺寸和降低功耗；其中，調(diào)節(jié)硬磁薄膜2的初始磁化狀態(tài)具有很高的靈活性和可重構(gòu)性。

最后應(yīng)說明的是：以上各實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而非對其限制；盡管參照前述各實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)的說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解：其依然可以對前述各實(shí)施例所記載的技術(shù)方案進(jìn)行修改，或者對其中部分或者全部技術(shù)特征進(jìn)行等同替換；而這些修改或者替換，并不使相應(yīng)技術(shù)方案的本質(zhì)脫離本發(fā)明各實(shí)施例技術(shù)方案的范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求和說明書的范圍當(dāng)中。