斯格明子的驱动方法

1.本技术属于电磁技术领域，尤其涉及一种斯格明子的驱动方法。


背景技术：

2.斯格明子(skyrmion)是一种具有准粒子特性且受拓扑保护的自旋结构，它具有尺寸小、稳定性高、低功耗等优点，因而成为磁信息存储和自旋电子学器件的核心候选材料，近年来得到了人们的广泛关注。同时其驱动方法也是多种多样，例如通过自旋极化电流驱动、通过电场梯度驱动、通过磁场驱动以及通过温度梯度驱动等，其中自旋极化电流是驱动斯格明子运动的主流方法。
3.但是通过自旋极化电流驱动斯格明子运动存在两个问题。第一，驱动斯格明子运动所需的电流强度较大，驱动过程中磁性器件会出现较强的发热效应，影响器件的工作性能和工作寿命。第二，由于斯格明子的拓扑结构，用电流驱动斯格明子时，会产生霍尔效应，即斯格明子的拓扑结构会受到马格纳斯力的作用，产生一个与电流方向垂直的速度，导致斯格明子横向漂移，并在磁性器件的边缘聚集。该效应会导致聚集在边缘的斯格明子碰到磁性薄膜的边界湮灭掉，降低磁性器件数据存储的可靠性。


技术实现要素：

4.本技术提供了一种斯格明子的驱动方法，可以减少电流驱动斯格明子所出现的发热效应以及霍尔效应带来的不良影响。
5.本技术提供了一种斯格明子的驱动方法，包括：
6.在与预设的磁性薄膜所在平面垂直的方向上施加交变电场，上述磁性薄膜生成有斯格明子，以驱动上述斯格明子做呼吸运动；
7.其中，上述磁性薄膜上镀有非磁性薄膜，以维持斯格明子的稳定性，上述磁性薄膜与非磁性薄膜相接触所形成的界面区域为异质结；
8.上述交变电场为周期性变化的电场，上述交变电场的电场强度公式为：
9.e＝e0sin(ωt)
10.其中，上述e为交变电场的电场强度，上述e0为交变电场的振幅，上述ω为交变电场的频率，上述t为时间。
11.本技术与现有技术相比存在的有益效果是：本技术通过对镀有非磁性薄膜的磁性薄膜施加交变电场，确保斯格明子稳定性的同时，持续性的向磁性薄膜中的斯格明子的磁性系统提供能量，通过改变磁性薄膜的垂直磁各向异性以驱动斯格明子进行呼吸运动。该方法不仅能够降低驱动斯格明子产生的热效应，提高磁性器件的工作性能和工作寿命，而且极大程度的降低霍尔效应，提高磁性器件内信息的稳定性。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述
中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
13.图1是本技术实施例提供的斯格明子的驱动方法的一个示意图；
14.图2是本技术实施例提供的斯格明子的驱动方法的另一个示意图；
15.图3是本技术实施例提供的钴钯合金薄膜中斯格明子的位移-时间关系曲线图；
16.图4是本技术实施例提供的斯格明子在y轴方向上移动的速度与交变电场的频率之间的关系曲线图；
17.图5是本技术实施例提供的一种控制量子比特的示意图；
18.图6是本技术实施例提供的交变偶极场的强度随着时间的变化曲线图；
19.图7是本技术实施例提供的nv色心在交变偶极场的作用下处于激发态的几率曲线图。
具体实施方式
20.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
21.斯格明子是一类受拓扑保护的结构，其原始概念由核物理学家托尼斯格米在1962年为了描述核子共振态的稳定性而提出。2009年，斯格明子在空间反演对称破缺的mnsi磁性系统里被观测到，并因其在信息存储器件上的巨大应用前景，得到了广泛的关注和研究。斯格明子内部，自旋排列成一种涡旋磁结构，该结构可以通过非平凡的拓扑数来刻画。和传统的信息存储载体比较，斯格明子主要有三方面优势：
22.(1)斯格明子的尺寸可以小到原子尺度(几个到几十纳米)，远远小于传统存储载体的尺寸(传统存储载体一般为几十到上百纳米)，这使得以斯格明子作为存储单元的储存器件的信息存储密度远大于以传统存储载体作为存储单元的存储器件的信息存储密度。
23.(2)基于斯格明子的信息传输电流密度比基于传统存储载体的信息传输电流密度小5个数量级，即应用斯格明子的磁性器件的热效应和能耗可以大幅降低；相应地，磁性器件的工作性能和使用寿命可以大幅提升。
24.(3)斯格明子结构是拓扑稳定的，其携带的信息也对应地有较强的抗干扰能力，特别受杂散场和温度的涨落的影响较小。
25.因为这些优势，斯格明子的研究吸引了诸多兴趣，在理论层面包括斯格明子霍尔效应、拓扑霍尔效应和高阶拓扑态等，在应用层面包括斯格明子赛道存储、逻辑门和磁镊等。
26.要将斯格明子应用于磁性器件中，如何有效驱动斯格明子是重要课题。目前，对于驱动金属磁体内的斯格明子，一般通过自旋极化电流的自旋转矩效应或者自旋轨道矩效应实现驱动；而对于驱动绝缘磁铁中的斯格明子，目前常用的温差驱动方式受限于绝缘磁铁的尺寸，并不能很好的驱动斯格明子的运动方向，且存在驱动速度慢的问题。
27.所以，目前斯格明子驱动方法，仍以自旋极化电流驱动为主。而该驱动方法所带来
的热效应和霍尔效应，导致应用斯格明子的磁性器件工作性能和工作寿命较短，且该磁性器件内的信息稳定性较差，阻碍了斯格明子的应用。针对该问题，本技术提出了一种驱动斯格明子的方法，能够降低驱动斯格明子产生的热效应和霍尔效应所带来的影响，提高应用斯格明子的磁性器件的工作性能以及磁性器件内信息的稳定性，延长该磁性器件的工作寿命。值得注意的是，本技术的方法并不局限于对金属磁体内的斯格明子进行驱动，同样适用于绝缘磁铁内的斯格明子。
28.为了说明本技术所提出的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
29.在一个实施例中，参阅图1，图1示出了本技术提供的通过交变电场驱动斯格明子的示意图，基于该示意图所提出的斯格明子的驱动方法，包括：
30.在与预设的磁性薄膜所在平面垂直的方向上施加交变电场，磁性薄膜生成有斯格明子，以驱动斯格明子做呼吸运动；
31.其中，磁性薄膜上镀有非磁性薄膜，以维持斯格明子的稳定性，磁性薄膜与非磁性薄膜相接触所形成的界面区域为异质结；
32.交变电场为周期性变化的电场，交变电场的电场强度公式为：
33.e＝e0sin(ωt)
34.其中，e为交变电场的电场强度，e0为交变电场的振幅，ω为交变电场的频率，t为时间。
35.在本技术实施例中，磁性薄膜指的是具有电场可调控垂直磁各向异性、磁交换相互作用，或者具有dzyaloshinskii-moriya(dm)相互作用的薄膜。可选地，磁性薄膜的膜厚度的取值范围以及非磁性薄膜的膜厚度的取值范围均为1～10纳米；可选地，磁性薄膜的膜厚度以及非磁性薄膜的膜厚度可以为0.8纳米或者1.2纳米。利用该磁性薄膜，可以通过自旋轨道耦合效应在其上生成斯格明子。
36.在一些实施例中，可以通过以下步骤生成斯格明子：
37.a1、在与磁性薄膜所在平面垂直的方向上施加第二外磁场，以使磁性薄膜的磁矩沿着第二外磁场的磁场线方向排列，得到均匀磁化的磁性薄膜；
38.a2、沿着均匀磁化的磁性薄膜的法向量方向施加脉冲电流，以改变磁性薄膜的指定空间区域内的磁矩方向，其中，所述磁性薄膜的边界在所述指定空间区域内；
39.a3、待指定空间区域内的磁矩方向改变后，停止施加脉冲电流，以生成斯格明子。
40.在本技术实施例中，在磁性薄膜生成斯格明子之前，可以在该磁性薄膜上镀上非磁性薄膜，形成异质结结构，借助非磁性薄膜打破异质结构的空间反演对称性，能够在磁性薄膜内产生dm相互作用，以生成斯格明子并使其稳定存在。其中，非磁性薄膜与磁性薄膜相接触所形成的区域为异质结。可选地，在本技术实施例中，异质结可以利用界面合金形成。作为示例而非限定，磁性薄膜可以是钴钯合金薄膜，非磁性薄膜可以是重金属薄膜，例如铂薄膜或钯薄膜等。
41.在磁性薄膜镀上非磁性薄膜之后，可以先在垂直于磁性薄膜所在平面的方向上施加第二外磁场。在第二外磁场的作用下，磁性薄膜的磁矩会沿着第二外磁场的磁场线方向排列，即磁性薄膜被磁化到均匀磁化的铁磁态。在得到均匀磁化的磁性薄膜之后，沿着磁性薄膜的法向量方向施加脉冲电流。可选地，该脉冲电流为纳秒尺度的脉冲电流。当脉冲电流通过磁性薄膜时，会产生较大的自旋极化电子，利用脉冲电流将自旋极化电子注入到磁性
薄膜的某一点，磁性薄膜会感受到自旋转移扭矩。在施加强度适宜的脉冲电流后，可以改变磁性薄膜的指定空间区域内的磁矩方向。例如，可以翻转指定空间区域内的磁矩方向。当指定空间区域内的磁矩方向改变后，可以撤去脉冲电流，磁性薄膜内的磁性系统会自由驰豫到斯格明子态，即生成一个斯格明子。
42.在磁性薄膜上施加交变电场之后，随着交变电场的周期性变化，可以改变磁性薄膜的垂直磁各向异性，使斯格明子做呼吸运动。其中，呼吸运动指的是斯格明子的尺寸随时间周期变化的行为。
43.在本技术实施例中对镀有非磁性薄膜的磁性薄膜施加交变电场，确保斯格明子稳定性的同时，持续性的向磁性薄膜中的斯格明子的磁性系统提供能量，通过改变磁性薄膜的垂直磁各向异性以驱动斯格明子进行呼吸运动，该方法不仅能够减少驱动斯格明子产生的热效应，提高磁性器件的工作性能和工作寿命，而且极大程度的减少霍尔效应，提高磁性器件信息存储的稳定性。
44.参阅图2，图2示出通过交变电场以及第一外磁场驱动斯格明子的示意图。
45.在一些实施例中，为了使斯格明子可以向确定方向运动，在与预设的磁性薄膜所在平面垂直的方向上施加交变电场时，该驱动方法还包括：
46.在磁性薄膜所在平面内施加第一外磁场，以驱动斯格明子根据第一外磁场的磁场方向定向运动。
47.由于斯格明子具有旋转对称性，仅施加交变电场，只能够驱动斯格明子做呼吸运动，而不能驱动斯格明子朝着确定的方向运动。为了能驱动斯格明子朝着确定的方向运动，在本技术实施例中，通过在磁性薄膜所在平面内施加第一外磁场来破坏斯格明子的旋转对称性，从而驱动斯格明子沿着旋转对称性的破缺方向运动。也就是说，要让斯格明子朝着理想的方向运动，可以通过改变第一次外磁场的方向指向理想的方向，从而让斯格明子向理想的方向移动。该方法能够避免在驱动斯格明子的过程中，斯格明子聚集在磁性薄膜的边界，碰到磁性薄膜的边界湮灭掉，能够提高基于斯格明子的磁性器件内信息存储的可靠性。
48.为了模拟斯格明子的动力学行为，在本技术实施例中，可以从朗道-利夫希兹-吉尔伯特(landau-lifshitz-gilbert)方程出发：
[0049][0050]
其中，m表征磁性薄膜的归一化磁矩，t是时间，h是磁矩感受到的有效场，包含交换场，各向异性场，退磁场和外磁场。α是表征磁性薄膜耗散强度的吉尔伯特系数。具体地，交变电场的影响体现在磁性薄膜的垂直磁各向异性里，可以通过下述公式描述：
[0051][0052]
其中，k
eff
是交变电场的影响下，磁性薄膜的垂直磁各向异性强度，ku是与磁性薄膜所在平面垂直的方向上晶格的各向异性强度，e是施加在磁性薄膜上的交变电场强度，ζf是交变电场对磁性薄膜的垂直磁各向异性的调制强度，ms是磁性薄膜的饱和磁化强度，μ0是真空磁导率。
[0053]
结合朗道-利夫希兹-吉尔伯特方程，可以将斯格明子的位置定义为：
[0054][0055]
这里q是斯格明子的拓扑数，xy面是磁性薄膜所在平面，r是斯格明子自旋在磁性薄膜里的位置，rc是斯格明子在磁性薄膜中的位置信息，rc＝(xc，yc)，xc是斯格明子在x方向上的移动位移，yc是斯格明子在y方向上移动的位移。斯格明子的速度可以定义为位置随着时间的变化率：(v
x
，vy)＝d(xc，yc)/dt，其中v
x
是斯格明子在x方向上移动的速度，其中vy是斯格明子在y方向上移动的速度。
[0056]
作为示例而非限定，磁性薄膜以钴钯合金薄膜为例，该合金薄膜的各个参数分别为：交换作用强度a＝10-11
j/m，dm交换作用强度d＝3mj/m2，饱和磁化强度ms＝9.2
×
105a/m，晶格垂直磁各向异性强度ku＝1.1157
×
106j/m3，磁性薄膜耗散强度的吉尔伯特耗散系数α＝0.02。参阅图3，图3示出了模拟的钴钯合金薄膜中斯格明子的位置信息-时间关系。从图中可以看出，斯格明子是中心震荡的方式运动，要控制斯格明子向确定的方向上移动，主要取决于斯格明子在y轴方向上移动的速度。参阅图4，图4示出了不同吉尔伯特系数下，斯格明子在y轴方向上移动的速度与交变电场的频率之间的关系。从图中可以看出，α越小，交变电场的频率对斯格明子在y轴方向上移动的速度影响越明显，并且当交变电场的频率越接近斯格明子的呼吸运动频率时，斯格明子在y轴方向上移动的速度越大。
[0057]
在一些实施例中，要控制斯格明子的速度，可以通过以下步骤实现：
[0058]
获取斯格明子的呼吸运动频率，根据呼吸运动频率设置交变电场的频率，以控制斯格明子的运动速度。
[0059]
根据图4所得出的结论，即鉴于当交变电场的频率越接近斯格明子的呼吸运动频率时，斯格明子在y轴方向上移动的速度越大，可以获取斯格明子的呼吸运动频率。当需要提高斯格明子的速度时，可以设置交变电场的频率逐渐向斯格明子的呼吸运动频率靠近；当需要降低斯格明子的速度时，可以设置交变电场的频率逐渐远离斯格明子的呼吸运动频率。例如，可以将交变电场的频率设置的比斯格明子的呼吸运动频率大，或者将交变电场的频率设置的比斯格明子的呼吸运动频率小，以减小斯格明子的速度。
[0060]
在量子信息领域，由于交变电场驱动斯格明子进行呼吸运动时，会产生交变偶极场，该交变偶极场可以有效地调节量子比特的拉比震荡信号，为量子比特的控制提供了一种新思路。
[0061]
参阅图5，图5示出了通过斯格明子呼吸运动产生的交变偶极场控制量子比特的示意图。
[0062]
在一些实施例中，为了有效地调节量子比特的拉比震荡信号，可以通过以下步骤实现：
[0063]
将量子比特放置在异质结朝向磁性薄膜的方向上，量子比特距离异质结预设高度；
[0064]
利用斯格明子的呼吸运动所产生的交变偶极场控制量子比特的量子叠加态。
[0065]
在制备完异质结结构以后，可以将量子比特放置于异质结朝向磁性薄膜的方向上若干纳米处，从而利用斯格明子的呼吸运动所产生的交变偶极场控制量子比特的量子叠加态。具体地，描述量子比特的哈密顿可以表述为，
[0066][0067]
其中，s
x，y，z
是自旋-1算符，d0/2π是自旋的零场劈裂，γ
nv
为旋磁比，为斯格明子产生的交变偶极场。
[0068]
在一些实施例中，通过测量量子比特在激发态的占据概率随时间的演化，可以探测精密磁场和纳米尺度的磁结构，如探测磁畴壁、磁涡旋态和斯格明子等。探测斯格明子的具体步骤可以包括：
[0069]
在将量子比特放置在异质结朝向磁性薄膜的方向上之前，初始化量子比特，以使量子比特处于基态；
[0070]
相应地，在将处于基态的量子比特放置在异质结朝向磁性薄膜的方向上之后，驱动方法还包括：
[0071]
测量预设时间内量子比特的激发谱；
[0072]
根据拉比震荡信息号确定斯格明子的磁矩分布。
[0073]
在将量子比特置于异质结朝向磁性薄膜的方向上，即磁性薄膜的上方之后，初始化量子比特处于基态。而后通过追踪量子比特状态的含时演化，得到量子比特在激发态的占有概率p随时间的变化曲线图。量子比特通过交变偶极场的作用与磁性薄膜里的磁矩或者磁矩热涨落对应的噪声耦合在一起，当磁矩处于不同方向时，量子比特感受到的有效磁场会有不同，对应的量子比特的激发谱也会不同。量子比特的激发谱可以间接表征其拉比振荡信息。基于对量子比特的激发谱的分析，可以反推出斯格明子磁矩的分布。该探测方式具有灵敏度高、空间分辨率高等优点。
[0074]
作为示例而非限定，参阅图6和图7，图6示出了斯格明子进行呼吸运动时所生成的交变偶极场的强度随着时间的变化；图7示出了40纳秒内，nv色心在交变偶极场的作用下处于激发态的概率。具体的，nv色心的参数为：d0/2不＝2.87ghz，γ
nv
＝2.8mhz/oe。
[0075]
以上所述实施例仅用以说明本技术的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本技术进行了详细的说明，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技术各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本技术的保护范围之内。