一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门及控制方法

1.本发明属于信息技术领域，尤其涉及一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门及控制方法。


背景技术：

2.随着信息技术的飞速发展，传统的信息存储技术已不能满足人们日益增长的生活需求，高密度低能耗存储成为不可避免的发展趋势。磁性斯格明子是一种纳米尺度具有拓扑保护性质的稳定涡旋磁结构，由于其尺寸小，稳定性高和易操控等特性，斯格明子有望应用于未来高密度，低能耗的信息存储和逻辑运算。考虑到自旋极化电流驱动铁磁斯格明子有斯格明子霍尔效应，故铁磁明子的运动方向在运动过程中会偏离初始方向甚至在赛道边缘湮灭，最终导致信号丢失。研究发现，运用自旋极化电流驱动合成反铁磁中的斯格明子可以有效抑制斯格明子运动过程中的斯格明子霍尔效应，使其沿驱动力的方向直线运动，其运行速度也比铁磁斯格明子的大。因此以合成反铁磁斯格明子的存在与否代表二进制数据“1”和“0”，并将其应用于逻辑计算中，可以有效提高逻辑运行速度，降低器件能耗，减小逻辑门体积，提升器件的稳定性。
3.现有技术一的技术方案
4.在中国实用新型专利说明书cn201710434552.7公开了一种基于磁性斯格明子的或门及其控制和应用的方法，该设计基于铁磁斯格明子或畴壁对在输入端到输出端之间的可逆转换，利用电流驱动使其实现或门的逻辑功能。
5.现有技术一的缺点
6.该逻辑门虽能实现逻辑或门功能，但驱动铁磁斯格明子和畴壁间转换的阈值电流较大，运行过程中大电流可能导致器件烧坏损毁，且该逻辑门中斯格明子和畴壁的运行速度较慢，会延长逻辑器件的运算时间。
7.现有技术二的技术方案
8.在中国实用新型专利说明书cn201711049783.2中提出了一种基于铁磁斯格明子的可重构逻辑器件，该设计基于单个和多个斯格明子在逻辑赛道输入端与输出端间的移动，利用电压控制不同逻辑功能的运算。
9.现有技术二的缺点
10.该逻辑门尽管能实现多重逻辑运算，但铁磁斯格明子在运动过程中因斯格明子霍尔效应在运动方向会发生漂移，利用斯格明子的霍尔效应控制斯格明子的运动轨迹具有不确定性，因此该逻辑门的人为可控性有待改善。


技术实现要素：

11.本发明的目的在于解决上述现有技术存在的缺陷，提供一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门及控制方法，可有效提升信息存储的稳定性。
12.本发明采用如下技术方案：
13.一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门，逻辑门赛道的材料为合成反铁磁材料，其赛道从下到上依次布置重金属层、铁磁层、垫片、铁磁层，赛道左侧的两个磁性隧道结为合成反铁磁斯格明子的输入端a和输入端b，赛道右侧的两个磁性隧道结为合成反铁磁斯格明子的检测端c和检测端d。
14.整个赛道似长
×
宽为150nm
×
100nm的矩形，赛道右上角为一个直角边为50nm的等腰直角三角形缺口，输入端a和输入端b所在赛道间存在长
×
宽为70nm
×
5nm的长方形缺口，与输入端b对应的检测端c为逻辑“或”门，右下角检测端d为逻辑“与”门。
15.输入端a与输入端b同时产生斯格明子时，输入端b产生的斯格明子在电流驱动过程中同时受到边界排斥力和斯格明子间作用力，故将右下角赛道设计的更长，检测端d的赛道为长
×
宽为50nm
×
30nm凸起的矩形，以此实现b端产生的斯格明子能成功运动至检测端d。
16.逻辑计算中以合成反铁磁斯格明子的存在与否代表二进制数据“1”和“0”。输入端a产生一个斯格明子，输入端b不产生斯格明子，即实现了输入端a输入信号“1”，输入端b输入信号“0”的操作。
17.一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门的控制方法，包括：
18.当输入端a输入信号“1”，输入端b输入信号“0”时，斯格明子在电流2
×
10
12
j/m2驱动下沿赛道向右运动，运动至斜边处受到边界排斥，进而改变其运动方向使其运动至“or”门检测端c，以此实现“or”门的逻辑运算“1 0＝1”，而此时“and”门检测端d未检测出斯格明子，即实现了“and”门的逻辑运算“1
·
0＝0”；
19.或者当输入端a输入信号“0”，输入端b输入信号“1”时，斯格明子在电流2
×
10
12
j/m2驱动下沿赛道向右运动，运动至赛道右端处受到边界排斥，进而改变其运动方向使其运动至“or”门，即实现了“or”门的逻辑运算“0 1＝1”，而此时“and”门检测端d未检测出斯格明子，即实现了“and”门的逻辑运算“0
·
1＝0”；
20.或者当输入端a、输入端b都输入信号“1”时，输入端a产生的斯格明子与输入端b产生的斯格明子在电流2
×
10
12
j/m2驱动下沿赛道一同向右运动，由于斯格明子间的相互排斥和边界的排斥作用，输入端b产生的斯格明子被挤到检测端d，输入端a产生的斯格明子最终稳定在检测端c，由此实现了“or”门的逻辑运算“1 1＝1”，“and”门的逻辑运算“1
·
1＝1”；
21.或者当输入端a、输入端b都输入信号“0”时，“and”和“or”门都没有信号输出，即实现了“or”门的逻辑运算“0 0＝0”，“and”门的逻辑运算“0
·
0＝0”。
22.对于合成反铁磁斯格明子在输出端的探测，可采用非共线磁阻效应，隧穿磁阻效应和隧穿各向异性磁阻效应来实现。
23.对于“and”门和“or”门，不论输入端a和输入端b是否输入斯格明子，赛道上都加有水平向右的驱动电流。
24.该逻辑门每次计算后可利用一个较大的脉冲电流将赛道上的斯格明子清除。
25.本发明的有益效果：
26.1.稳定性好(斯格明子作为二进制数据的携带者，因其特殊的拓扑稳定结构使得信息在传输过程中不易缺失，用斯格明子的存在与否表征信号“1”和信号“0”，可有效提升信息存储的稳定性)。
27.2.准确性高(合成反铁磁斯格明子的运动速度更快，可以有效缩短逻辑器件的检
测时间，进而提高器件检测的准确性，该设计与中国实用新型专利说明书cn201710434552.7相比，在驱动过程中不存在磁畴和斯格明子的转换过程，简化了逻辑运算方法)。
28.3.能耗低(该设计中电流的驱动量级为10
11
a/m2，文章[phys.rev.appl,16.1.014040(2021])所提出的操控合成反铁磁斯格明子逻辑门所需电流密度约在10
12
a/m2量级，因此本发明可以适当减小驱动电流密度，达到降低能耗的目的。
[0029]
4.主观调控性强(合成反铁磁斯格明子在运动过程中没有斯格明子霍尔效应，可采用自旋极化电流驱动合成反铁磁斯格明子，且驱动电流大小是人为可控的)。
[0030]
5.多种检测方式(合成反铁磁斯格明子的检测方式相较于反铁磁斯格明子更多，可以采用非共线磁阻效应、隧穿磁阻效应和隧穿各向异性磁阻效应)。
附图说明
[0031]
图1为基于合成反铁磁斯格明子设计的逻辑“与”门和逻辑“或”门立体图；
[0032]
图2为基于合成反铁磁斯格明子设计的逻辑“与”门和逻辑“或”门赛道俯视图；
[0033]
图3(a)为输入端a输入信号“1”，输入端b输入信号“0”的逻辑运算初始态图；
[0034]
图3(b)为“或”门“1 0＝1”和“与”门“1
·
0＝0”的逻辑运算结果图；
[0035]
图4(a)为输入端a输入信号“0”，输入端b输入信号“1”的逻辑运算初始态图；
[0036]
图4(b)为“或”门“0 1＝1”和“与”门“0
·
1＝0”的逻辑运算结果图；
[0037]
图5(a)为输入端a和输入端b同时输入信号“1”的逻辑运算初始态图；
[0038]
图5(b)为“或”门“1 1＝1”和“与”门“1
·
1＝1”的逻辑运算结果图。
具体实施方式
[0039]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0040]
如图1所示，本发明的一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门，逻辑门赛道的材料为合成反铁磁材料，其赛道由重金属层、铁磁层、垫片、铁磁层构成，赛道左侧的两个磁性隧道结为合成反铁磁斯格明子的输入端a和输入端b，赛道右侧的两个磁性隧道结为合成反铁磁斯格明子的检测端c和检测端d。
[0041]
如图2所示，整个赛道似长
×
宽为150nm
×
100nm的矩形，赛道右上角为一个直角边为50nm的等腰直角三角形缺口，图2中输入端a和输入端b所在赛道间存在长
×
宽为70nm
×
5nm的长方形缺口，与输入端b对应的检测端c为逻辑“或”门，右下角检测端d为逻辑“与”门；
[0042]
考虑到输入端a与输入端b同时产生斯格明子时，输入端b产生的斯格明子在电流驱动过程中同时受到边界排斥力和斯格明子间作用力，故将右下角赛道设计的更长，以此实现b端产生的斯格明子能成功运动至检测端d。如图2所示，检测端d的赛道为长
×
宽为50nm
×
30nm凸起的矩形。
[0043]
逻辑计算中以合成反铁磁斯格明子的存在与否代表二进制数据“1”和“0”，例如在输入端a产生一个斯格明子，输入端b不产生斯格明子，即实现了输入端a输入信号“1”，输入
端b输入信号“0”的操作。
[0044]
一种基于合成反铁磁斯格明子的逻辑门的控制方法，包括：
[0045]
实现逻辑运算，需要考虑斯格明子在输入端的产生，在赛道上能够顺利传输，在输出端可以成功检测。
[0046]
在此模型中，通过在输入端a、输入端b局部垂直注入自旋极化电流产生合成反铁磁斯格明子，采取自旋转移力矩驱动合成反铁磁斯格明子。在此逻辑门中，左端的方形缺陷将模型分为两个输入赛道，右上端缺口处三角形斜边对斯格明子有排斥作用，故当斯格明子靠近缺口处三角形斜边时会改变斯格明子的运动方向，而斯格明子最终稳定的位置取决于三角形缺口的两条底边长度，即图2中等边三角形的两条边w边和h边。在此情况下，当三角形缺口的底边长度超出某取值范围时，斯格明子最终稳定存在的位置将受到影响，因此三角形缺口的底边长度只有在合理的范围内，斯格明子才能稳定运动至输出端的检测位置。
[0047]
如前所述，该设计通过在水平赛道上施加自旋极化电流，运用斜边对斯格明子的排斥作用与斯格明子间的相互作用力，进而改变斯格明子的运动方向和最终稳定的位置。因此，在实现“and”门和“or”门的逻辑计算功能时，赛道的斜边长度必须处于合理范围内，具体逻辑运算过程如下：
[0048]
对于“or”、“and”门
[0049]
(1)当输入端a输入信号“1”，输入端b输入信号“0”时，斯格明子在电流(2
×
10
12
j/m2)驱动下沿赛道向右运动，运动至斜边处受到边界排斥，进而改变其运动方向使其运动至“or”门检测端c，以此实现“or”门的逻辑运算“1 0＝1”，而此时“and”门检测端d未检测出斯格明子，即实现了“and”门的逻辑运算“1
·
0＝0”；
[0050]
(2)当输入端a输入信号“0”，输入端b输入信号“1”时，斯格明子在电流2
×
10
12
j/m2驱动下沿赛道向右运动，运动至赛道右端处受到边界排斥，进而改变其运动方向使其运动至“or”门，即实现了“or”门的逻辑运算“0 1＝1”，而此时“and”门检测端d未检测出斯格明子，即实现了“and”门的逻辑运算“0
·
1＝0”；
[0051]
(3)当输入端a、输入端b都输入信号“1”时，输入端a产生的斯格明子与输入端b产生的斯格明子在电流(2
×
10
12
j/m2)驱动下沿赛道一同向右运动，由于斯格明子间的相互排斥和边界的排斥作用，输入端b产生的斯格明子被挤到检测端d，输入端a产生的斯格明子最终稳定在检测端c，由此实现了“or”门的逻辑运算“1 1＝1”，“and”门的逻辑运算“1
·
1＝1”；
[0052]
(4)当输入端a、输入端b都输入信号“0”时，“and”和“or”门都没有信号输出，即实现了“or”门的逻辑运算“0 0＝0”，“and”门的逻辑运算“0
·
0＝0”。
[0053]
最后，对于合成反铁磁斯格明子在输出端的探测，可采用非共线磁阻效应，隧穿磁阻效应和隧穿各向异性磁阻效应来实现。
[0054]
注：对于“and”门和“or”门，不论a端和b端是否输入斯格明子，赛道上都加有水平向右的驱动电流，另外，该逻辑门每次计算后可利用一个较大的脉冲电流将赛道上的斯格明子清除。
[0055]
实施例
[0056]
如图1-2所示，将电流注入赛道底层的重金属材料中，当电流穿过“铁磁层/非铁磁
层/铁磁层”三明治结构时，由于自旋散射作用，可使普通电流转化为自旋极化电流，再利用自旋极化电流诱导输入端的磁自旋发生翻转，由此便生成了具有拓扑稳定性的合成反铁磁双层斯格明子。
[0057]
如图3(a)、图3(b)所示，在输入端a通过自旋极化电流产生单个合成反铁磁斯格明子，而此时输入端b不产生合成反铁磁斯格明子，即输入端a输入信号“1”，输入端b输入信号“0”。在此基础上对整个赛道施加水平向右，电流大小为2
×
10
12
j/m2的自旋极化电流，则输入端a产生的斯格明子会沿电流的驱动方向向右运动，当合成反铁磁斯格明子靠近三角形缺口斜边时，斜边对合成反铁磁斯格明子的排斥力使得合成反铁磁斯格明子沿斜边运动至右下方检测端c。相应地，检测端c所在磁性隧道结由于检测到合成反铁磁斯格明子而呈现高阻态，即实现了逻辑“或”门“1 0＝1”的运算；检测端d所在磁性隧道结由于未检测到合成反铁磁斯格明子而呈现低阻态，即实现了逻辑“与”门“1
·
0＝0”的运算。如图4(a)-图4(b)所示，在输入端b通过自旋极化电流产生单个合成反铁磁斯格明子，而此时输入端a不产生合成反铁磁斯格明子，即输入端a输入信号“0”，输入端b输入信号“1”。在此基础上对整个赛道施加水平向右，电流大小为2
×
10
12
j/m2的自旋极化电流，则输入端b产生的斯格明子会沿电流的驱动方向向右运动，当合成反铁磁斯格明子靠近右下角“凸”形区域时，由于边界对合成反铁磁斯格明子的排斥作用使合成反铁磁斯格明子略向右上方移动，最后稳定在检测端c。相应地，检测端c所在磁性隧道结由于检测到合成反铁磁斯格明子而呈现高阻态，即实现了逻辑“或”门“0 1＝1”的运算；检测端d所在磁性隧道结由于未检测到合成反铁磁斯格明子而呈现低阻态，即实现了逻辑“与”门“0
·
1＝0”的运算。
[0058]
如图5(a)-图5(b)所示，在输入端a和输入端b同时注入自旋极化电流诱导产生合成反铁磁斯格明子，即输入端a和输入端b同时输入信号“1”。在此基础上对整个赛道施加水平向右，电流大小为2
×
10
12
j/m2的自旋极化电流，则输入端a产生的斯格明子沿斜边向下运动并与输入端b产生的斯格明子在赛道右端相遇，二者由于斯格明子间相互作用力和边界对斯格明子的排斥力，使得输入端b产生的斯格明子受到挤压最终稳定在检测端d，输入端a产生的斯格明子最终运动至检测端c。相应地，检测端c与检测端d所在磁性隧道结由于检测到合成反铁磁斯格明子而呈现高阻态，即实现了逻辑“或”门“1 1＝1”和逻辑“与”门“1
·
1＝1”的运算。
[0059]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。