自旋波传输通道重构方法、计算机装置和存储介质与流程

1.本发明涉及电子器件技术领域，属于磁振子自旋电子技术，具体是一种自旋波传输通道重构方法、计算机装置和存储介质。


背景技术：

2.自旋波是磁性材料中磁矩进动在其内部传输形成的波，属于磁体内的集体激发，也称为磁振子。以自旋波作为信息载体的各种功能性器件常被称为磁振子器件。作为信息载体，自旋波具有许多优异的特性。例如，自旋波的波长对样品尺寸具有自适应性，即对于给定频率，样品尺寸越小，自旋波的波长也越小，这就使磁振子器件易于微缩化，可以广泛应用于微米至纳米尺度器件，天然地适应器件微型化的趋势。
3.磁振子波导是构建磁振子器件的核心单元，光纤型磁振子波导可以利用磁性材料内部的磁畴壁来传输自旋波，表现出良好的传输性能，但是目前的自旋波传输技术难以控制自旋波的传输通道，限制了磁振子波导的应用。


技术实现要素：

4.针对上述至少一个技术问题，本发明的目的在于提供一种自旋波传输通道重构方法、计算机装置和存储介质。
5.一方面，本发明实施例包括一种自旋波传输通道重构方法，包括：
6.向磁振子波导注入电流；所述磁振子波导中包含条形的布洛赫畴壁，所述电流沿着平行于所述布洛赫畴壁的方向注入；
7.控制所述电流的电流密度和/或持续时间；
8.当所述布洛赫畴壁在所述磁振子波导中移动到了目标位置，移除所述电流，使所述布洛赫畴壁自由弛豫；
9.以经过自由弛豫后的所述布洛赫畴壁作为传输通道传输自旋波。
10.进一步地，所述磁振子波导包括上层膜和下层膜，所述上层膜由第一材料制成，所述下层膜由第二材料制成；所述上层膜中形成所述布洛赫畴壁；所述上层膜与所述下层膜叠合成纳米线结构。
11.进一步地，所述下层膜用于接受注入所述电流，所述电流沿着所述下层膜的长度方向注入。
12.进一步地，所述第一材料为垂直各向异性的铁磁材料，所述第二材料为重金属材料。
13.进一步地，所述铁磁材料满足：
14.交换劲度系数a＝15pjm-1
，手性相互作用常数d＝3.0mjm-2
，磁晶各向异性常数ku＝0.7mjm-3
，饱和磁化强度ms＝580kam-1
，阻尼系数α＝0.3，自旋霍尔角φh＝0.13。
15.进一步地，所述上层膜的长度为2μm，宽度为1μm，厚度为1nm。
16.进一步地，所述以经过自由弛豫后的所述布洛赫畴壁作为传输通道传输自旋波，
包括：
17.当所述布洛赫畴壁经过自由弛豫后达到稳定状态，控制天线在所述布洛赫畴壁激发出自旋波。
18.进一步地，所述控制所述电流的电流密度和/或持续时间，包括：
19.设定所述目标位置；
20.根据所述目标位置，确定电流密度时间乘积；
21.根据所述电流密度时间乘积和固定的电流密度确定所述持续时间，或者根据所述电流密度时间乘积和固定的持续时间确定所述电流密度。
22.另一方面，本发明实施例还包括一种计算机装置，包括存储器和处理器，所述存储器用于存储至少一个程序，所述处理器用于加载所述至少一个程序以执行实施例中的自旋波传输通道重构方法。
23.另一方面，本发明实施例还包括一种存储介质，其中存储有处理器可执行的程序，所述处理器可执行的程序在由处理器执行时用于执行实施例中的自旋波传输通道重构方法。
24.本发明的有益效果是：实施例中的自旋波传输通道重构方法，通过向具有布洛赫畴壁的磁振子波导注入电流，可以控制布洛赫畴壁在磁振子波导中的位置，从而实现自旋波通道的重构(reconfiguration)，实现通过电流来控制自旋波的传输路径；由于向磁振子波导注入的电流直接作用于器件本身，不需要额外布线，所使用器件的复杂度低，而且通过注入电流而不是通过磁场来控制自旋波通道，因此能够突破微米器件的尺寸限制而适用于纳米器件，从而容易获得小尺寸器件带来的集成度高等的良好性能。
附图说明
25.图1为实施例中磁振子波导的结构示意图；
26.图2和图3为实施例中对向磁振子波导注入电流的模拟效果图；
27.图4为实施例中的自旋波传输通道重构方法的流程图；
28.图5为实施例中的畴壁速度与电流密度关系的模拟效果图。
具体实施方式
29.本实施例中的磁振子波导是一种光纤型磁振子波导，参照图1，其包括由第一材料制成的上层膜以及由第二材料制成的下层膜。上层膜中形成布洛赫畴壁，上层膜与下层膜叠合成纳米线结构，该纳米线结构在y方向上的长度较小，在x方向上延伸较大的长度。具体地，制作上层膜的第一材料可以是垂直各向异性的铁磁材料(ferromagnet，fm)，第二材料为重金属材料(heavy metal，hm)。铁磁材料的参数可以按图5所示的标准选取，示例性地，可以选取如下参数：
30.交换劲度系数a＝15pjm-1
，手性相互作用常数d＝3.0mjm-2
，磁晶各向异性常数ku＝0.7mjm-3
，饱和磁化强度ms＝580kam-1
，阻尼系数α＝0.3，自旋霍尔角φh＝0.13。
31.图1示出了铁磁材料制成的上层膜的结构，其中上层膜的长度即x轴方向的长度为2μm，厚度即z轴方向的长度为1nm，宽度即y轴方向的长度为1μm。下层膜可以设置在上层膜的z轴方向的一侧。下层膜的尺寸可以与上层膜相同，即下层膜的长度为2μm，宽度为1μm，厚
度为1nm。
32.参照图1，上层膜的两个不同灰度部分表示两个垂直磁化的磁畴，并且两个磁畴分别为上取向和下取向，中间的白色部分表示一个条形畴壁，条形畴壁将两个磁畴分开，即条形畴壁相当于两个磁畴的分界线。畴壁内部磁化强度矢量平行于x轴(即畴壁伸展方向)排列，表明畴壁属于布洛赫型，即图1中的畴壁为布洛赫型畴壁，如标记为m的箭头所示。对于负电流(如标记为j的灰色箭头所示)，电子的自旋极化方向沿 y，如标记为σ的黑色箭头所示。
33.本实施例中，上层膜中的条形布洛赫畴壁在电流作用下的动力学，可以通过如下的包含自旋轨道矩的扩展朗道
–
利夫希兹
–
吉尔伯特(llg)方程来描述：
[0034][0035]
其中m是磁化强度m的单位矢量，γ为旋磁因子，α为阻尼系数，t为时间，h
eff
为有效磁场，ts为自旋轨道矩。
[0036]
根据上述方程，当一束电流通过下层膜时，由于自旋霍尔效应和/或界面rashba效应的存在，会在垂直于电流方向产生自旋流，自旋流扩散到相邻磁层时对其磁矩产生自旋轨道矩作用，也就是说，当电流平行于长轴流过纳米线时，因自旋霍尔效应注入的自旋流会对磁畴壁中的磁化强度施加自旋轨道矩，而通过自旋轨道矩可以移动磁纳米线中的条形布洛赫畴壁，因此条形布洛赫畴壁在上层膜中的位置，可以通过控制注入电流的密度和作用时间进行控制。
[0037]
对沿着 x方向将电流注入纳米线的过程进行模拟，所得到的结果如图2和图3所示。
[0038]
参照图2，固定注入电流的持续时间不变，当没有注入电流时，布洛赫畴壁位于上层膜的中间位置；当注入电流的密度为j＝1.0
×
10
10
am-2
时，布洛赫畴壁在上层膜的中间位置靠近上方边缘的位置；当注入电流的密度增大，达到j＝1.0
×
10
11
am-2
时，布洛赫畴壁在上层膜的中间位置靠近上方边缘的位置，并且比电流密度为j＝1.0
×
10
10
am-2
时更靠近上方边缘，由此可以得到结论，即持续时间不变的情况下，注入的电流密度越大，则布洛赫畴壁被移动到越接近上层膜边缘的位置，并且在电流方向为 x的情况下，图2中布洛赫畴壁是向上移动，实际上在电流方向为-x的情况下，图2中布洛赫畴壁是向下移动，因此布洛赫畴壁可以被移动到上层膜中的任意位置。
[0039]
图3中的各矩形分别表示上层膜，中间的白色虚线表示上层膜的中央位置，白色实线表示布洛赫畴壁。当电流作用的持续时间为0.5ns时，布洛赫畴壁被移动到偏离上层膜中央的位置，也就是向上层膜边缘移动；当固定注入电流的密度不变，电流作用的持续时间为0.8ns时，布洛赫畴壁离上层膜中央更远，也就是更接近上层膜边缘，由此可以得到结论，即持续时间不变的情况下，注入的电流持续时间越长，则布洛赫畴壁被移动到越接近上层膜边缘的位置。
[0040]
图3中，当注入电流持续一段时间后，停止注入电流，则布洛赫畴壁保持其最后到达的位置，弛豫后达到稳定状态。此时，可以用天线在布洛赫畴壁激发出自旋波，使得自旋波在布洛赫畴壁中传输。
[0041]
根据上述原理，参照图4，本实施例中，自旋波传输通道重构方法包括以下步骤：
[0042]
s1.向磁振子波导注入电流；
[0043]
s2.控制电流的电流密度和/或持续时间；
[0044]
s3.当布洛赫畴壁在磁振子波导中移动到了目标位置，移除电流，使布洛赫畴壁自由弛豫。
[0045]
在执行步骤s1-s3之后，还可以执行以下步骤：
[0046]
s4.以经过自由弛豫后的布洛赫畴壁作为传输通道传输自旋波。
[0047]
步骤s1中，沿着下层膜的长度方向，也就是图1、图2和图3中所示的平行于布洛赫畴壁的方向注入电流。
[0048]
步骤s2中，考虑到目标位置与上层膜中央位置之间的距离既与注入电流的电流密度正相关，又与电流的持续时间正相关，因此目标位置与上层膜中央位置之间的距离，与注入电流的电流密度和电流的持续时间之间的乘积正相关。
[0049]
电流密度与畴壁速度在一定范围内呈线性关系，并且具体的线性关系与纳米线的材料参数有关。如图5所示，当纳米线的手性相互作用常数d＝5.0mjm-2
，磁晶各向异性常数ku＝1.4mjm-3
，电流密度在10
×
10
11
am-2
至30
×
10
11
am-2
这样的区间内，畴壁向上层膜边缘方向的移动速度与电流密度接近正比例关系；而纳米线的材料参数为其他值时，电流密度与畴壁速度在其他区间内呈现线性关系，在线性近似的情况下可以认为目标位置与上层膜中央位置之间的距离，与注入电流的电流密度和电流的持续时间之间的乘积呈正比例关系。因此，可以先设定需要布洛赫畴壁到达的目标位置，根据目标位置与上层膜中央位置之间的距离大小，确定电流密度时间乘积p，然后根据实际情况设置固定的电流密度j，从而确定持续时间t为或者设置固定的持续时间t，从而确定电流密度j为
[0050]
步骤s3中，可以参照图3，当布洛赫畴壁在磁振子波导中移动到了目标位置，移除电流，使布洛赫畴壁自由弛豫，当布洛赫畴壁经过自由弛豫后达到稳定状态，布洛赫畴壁的形状和方向也变得稳定，可以执行步骤s4，控制天线，使得天线在布洛赫畴壁激发出自旋波，布洛赫畴壁作为自旋波的传输通道，从而传输自旋波。
[0051]
本实施例中，通过向具有布洛赫畴壁的磁振子波导注入电流，可以控制布洛赫畴壁在磁振子波导中的位置，从而重构自旋波通道，实现通过电流来控制自旋波的传输路径；由于本实施例中的自旋波传输通道重构方法是通过注入电流而不是通过磁场来控制自旋波通道，因此能够突破微米器件的尺寸限制而适用于纳米器件，从而容易获得小尺寸器件带来的集成度高等的良好性能。
[0052]
本实施例中，可以编写能够执行步骤s1-s4的计算机程序，并将计算机程序写入计算机装置或者存储介质中，当计算机装置或者存储介质运行时，能够执行步骤s1-s4，实现自旋波传输通道重构方法的自动化执行，获得自旋波传输通道重构方法的技术效果。
[0053]
需要说明的是，如无特殊说明，当某一特征被称为“固定”、“连接”在另一个特征，它可以直接固定、连接在另一个特征上，也可以间接地固定、连接在另一个特征上。此外，本公开中所使用的上、下、左、右等描述仅仅是相对于附图中本公开各组成部分的相互位置关系来说的。在本公开中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。此外，除非另有定义，本实施例所使用的所有的技术和科学术语与本技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本实施例说明书中所使用的术语只是
为了描述具体的实施例，而不是为了限制本发明。本实施例所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的组合。
[0054]
应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种元件，但这些元件不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的元件彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一元件也可以被称为第二元件，类似地，第二元件也可以被称为第一元件。本实施例所提供的任何以及所有实例或示例性语言(“例如”、“如”等)的使用仅意图更好地说明本发明的实施例，并且除非另外要求，否则不会对本发明的范围施加限制。
[0055]
应当认识到，本发明的实施例可以由计算机硬件、硬件和软件的组合、或者通过存储在非暂时性计算机可读存储器中的计算机指令来实现或实施。所述方法可以使用标准编程技术-包括配置有计算机程序的非暂时性计算机可读存储介质在计算机程序中实现，其中如此配置的存储介质使得计算机以特定和预定义的方式操作——根据在具体实施例中描述的方法和附图。每个程序可以以高级过程或面向对象的编程语言来实现以与计算机系统通信。然而，若需要，该程序可以以汇编或机器语言实现。在任何情况下，该语言可以是编译或解释的语言。此外，为此目的该程序能够在编程的专用集成电路上运行。
[0056]
此外，可按任何合适的顺序来执行本实施例描述的过程的操作，除非本实施例另外指示或以其他方式明显地与上下文矛盾。本实施例描述的过程(或变型和/或其组合)可在配置有可执行指令的一个或多个计算机系统的控制下执行，并且可作为共同地在一个或多个处理器上执行的代码(例如，可执行指令、一个或多个计算机程序或一个或多个应用)、由硬件或其组合来实现。所述计算机程序包括可由一个或多个处理器执行的多个指令。
[0057]
进一步，所述方法可以在可操作地连接至合适的任何类型的计算平台中实现，包括但不限于个人电脑、迷你计算机、主框架、工作站、网络或分布式计算环境、单独的或集成的计算机平台、或者与带电粒子工具或其它成像装置通信等等。本发明的各方面可以以存储在非暂时性存储介质或设备上的机器可读代码来实现，无论是可移动的还是集成至计算平台，如硬盘、光学读取和/或写入存储介质、ram、rom等，使得其可由可编程计算机读取，当存储介质或设备由计算机读取时可用于配置和操作计算机以执行在此所描述的过程。此外，机器可读代码，或其部分可以通过有线或无线网络传输。当此类媒体包括结合微处理器或其他数据处理器实现上文所述步骤的指令或程序时，本实施例所述的发明包括这些和其他不同类型的非暂时性计算机可读存储介质。当根据本发明所述的方法和技术编程时，本发明还包括计算机本身。
[0058]
计算机程序能够应用于输入数据以执行本实施例所述的功能，从而转换输入数据以生成存储至非易失性存储器的输出数据。输出信息还可以应用于一个或多个输出设备如显示器。在本发明优选的实施例中，转换的数据表示物理和有形的对象，包括显示器上产生的物理和有形对象的特定视觉描绘。
[0059]
以上所述，只是本发明的较佳实施例而已，本发明并不局限于上述实施方式，只要其以相同的手段达到本发明的技术效果，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。在本发明的保护范围内其技术方案和/或实施方式可以有各种不同的修改和变化。