[发明专利]一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法

说明书

【技术领域】

本发明涉及基于自旋波的新型逻辑器件，具体涉及在利用磁性材料的自旋波干涉进行逻辑运算的器件中，采用直流电压对运算结果进行直接读取的方法。本发明还适用于任何基于自旋波的全息存储器或图像处理功能的电压读取操作。本发明属于计算机逻辑运算系统中的新型逻辑器件技术领域。

【背景技术】

基于自旋波的逻辑器件(Spin-wave logic device)是一种新型的利用自旋波(Spin wave)作为信息载体的新型电子器件。随着电子器件尺寸的不断微小化，由器件内部电流产生的焦耳热损耗呈指数上升，这不仅使能耗增加，也对器件的稳定性造成负面影响。基于自旋波的逻辑器件通过用自旋波的0和π相位信息分别来表征信息存储技术中的二进制数据0和1，从而进行信息传输，并可对其进行逻辑运算。和利用自旋极化电流来传输信息相比，自旋波的优势在于其产生与传播均不依赖载流子的迁移效应，因此可突破微电子电路中热耗散、RC迟滞等问题。此外，通过将基于自旋波的逻辑器件同其它自旋电子器件集成在一起，还可以实现基于全电子自旋的信息处理、传输与存储。

自旋波是由电子自旋集体进动引起的自旋信息在空间中的传播。自旋波也被称为磁振子(Magnon)，近年来研究自旋波传播的领域被称为磁电子学(Magnonics)或磁子自旋电子学(Magnonspintronics)，是现代磁学和电子学的一个交叉学科。基于自旋波的信息传输和逻辑计算系统被认为是突破摩尔定律限制的未来信息系统中信息传输的重要方式之一。

基于自旋波的电子器件工作原理主要包括三个步骤：自旋波的激发，自旋波的传输以及自旋波的探测。自旋波的激发可以用微波的方法，利用平面波导来将微波转化为自旋波在磁性材料中传播，如附图1所示。自旋波的逻辑计算功能主要利用具有不同相位的自旋波所产生的增强或相消干涉，当自旋波输入信号相位为“0”时，代表二进制数0；当自旋波输出信号相位为“π”时，代表二进制数1，如附图2所示。自旋波的探测一般利用微波(GHz)手段，即使用平面波导(一个传输的自旋波产生磁通量的变化会导致平面波导周围产生感应电压)，这是一个相对复杂的过程，对于工程化的要求极高。基于此，本发明提出了一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，可极大地降低自旋波探测的复杂度。

【发明内容】

一、发明目的：

如上所述，利用微波手段探测自旋波技术相对复杂且对于工程化要求极高。这对于自旋波逻辑器件在大规模集成电路中的应用是一个很大的障碍。本发明一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，提出一种利用简单的直流电压探测自旋波振幅的方法。利用强电压和弱电压来读取逻辑计算后的以自旋波作为载体的逻辑信息“1”和“0”。从而极大降低了探测自旋波逻辑计算结果的难度，并且避免了微波探测自旋波的二次热耗散。

二、技术方案：

自旋波的传播是一种自旋流(Spin current)或者说是磁子的传播。本发明基于利用逆自旋霍尔效应(Inverse Spin Hall effect)，将自旋流首先转换为电流，然后转换为直流电压信号，从而完成对自旋波的探测。

附图3为在磁性材料中利用逆自旋霍尔效应将自旋波信号转换为直流电压信号的原理和实施办法。自旋波作为一种自旋信息集体振动引起的自旋流，在外磁场的作用下可以在霍尔条(Hall bar)上产生电压积累。磁场B，自旋波I_s，以及探测到的电压V_ISHE可以通过右手定则来进行判断，如图所示。一般来讲，霍尔条用贵金属，纯金或者铂金薄膜来合成。以自旋波为载体的自旋信息流会在霍尔条上通过逆自旋霍尔效应积累电压，这种电压信号可以直接通过传统的电压测量方法来获得，例如传统电压计。

本发明一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，其步骤如下：

步骤一：利用微波信号发生器产生微波信号，经过平面波导激发出自旋波；

步骤二：自旋波在YIG(钇铁石榴石)里面进行低损耗，高速度传播；

步骤三：自旋波通过自旋波干涉器产生“相长干涉”和“相消干涉”；

步骤四：利用自旋波霍尔效应将自旋波信号转化成直流可读取的电压信号。

其中，在步骤一所述的“信号发生器”指的是常见商用信号发生器；“平面波导激发”是利用微波电流产生的电磁振荡激发自旋的集体振荡进而产生自旋波。

其中，在步骤二所述的“低损耗”是指自旋波传播相当长的距离而没有明显衰减；“高速度”是指自旋波的群速度。