[发明专利]一种具有单向导通特性的自旋波二极管

说明书

技术领域

本发明属于磁性器件技术领域，具体涉及一种自旋波二极管器件。

背景技术

自旋是继现代以电子，光为信息载体的下一代信息技术的理想信息载体。自旋波是磁性绝缘材料中磁的激发态，可有效的携带自旋信息。不同于磁性导体材料中携带自旋信息的导电电子，自旋波的传输基于铁磁绝缘材料，不需要借助于电子在原子间的移动，因此能更加有效的减小传输过程中的损耗。同时自旋波易激发，易检测，信息存贮密度大，功耗小，易耦合，与现有工业技术整合性好。

构建处理自旋信息的基础部件如自旋二极管，自旋三极管是构建更为复杂的自旋信息功能器件和自旋信息功能系统的关键。自旋二极管作为一种具有最简单结构的处理自旋信息的基础部件，可控制自旋波的传输方向，也同时是构建自旋三极管等器件的基础。作为自旋信息处理系统中的基础器件，在系统中会大量重复存在，因此自旋二极管应满足功耗小，尺寸小，工作范围宽，易于制作的条件。现有的自旋波二极管结构中，有些基于铁磁导体材料中的导电电子，因此不可避免的的具有功耗大的缺点；有些依赖于特定的工作参数，对于正常工作的要求条件高，难于制作和实际使用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种对自旋波具有单向导通特性的自旋波二极管器件。

本发明提供的自旋波二极管器件，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction,Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用)效应的铁磁绝缘材料上构造的磁结构,其中利用磁畴壁内束缚态自旋波具有的传播方向和自旋波分布空间位置锁定的现象来达到自旋波单向导通的功能。所述磁结构包括两部分，一部分是具有DMI效应的铁磁绝缘材料，该材料拥有两块相反磁取向的磁畴以及在磁畴之间形成的磁畴壁；第二部分为连接到磁畴壁的两个自旋波波导，分别用于导入和导出自旋波，其中，第一个自旋波波导覆盖整个磁畴壁，第二个自旋波波导覆盖范围为0到0.5个磁畴壁不等；两个自旋波波导的相对位置关系依赖于磁畴壁内束缚态自旋波的运动方向和空间分布；自旋波波导所用的材料与上述第一部分材料不同，要求其各向异性参数低于该器件的其余部分，使得自旋波仅能在自旋波波导与磁畴壁内传播。

本发明仅由磁性绝缘材料构成，从而其载流子只包含自旋波。

本发明中，当DMI效应为体DMI效应（Bulk DMI）时，磁畴壁的种类为布洛赫壁（Bloch Wall）；当DMI效应为界面DMI效应时（Interfacial DMI）,磁畴壁的种类为奈尔壁（Neel Wall）。

本发明中，第二波导2与第一波导1的相对空间位置取决于DMI效应参数的符号。具体来说，根据DMI符号的不同以及相对空间位置的不同，二极管可以有不同的形态。先就图4为例，在图4情形中，DMI的符号为正，因此，向上传播的自旋波会靠着磁畴壁的右侧传播，而向下传播的自旋波将靠着磁畴壁的左侧传播。在这种情形下，就可以将二极管设计成图5与图6的结构，即全覆盖的自旋波波导在左上侧，半覆盖自旋波波导在右下侧。此外，还可以将二极管设计为半覆盖的自旋波波导在左上侧，全覆盖的自旋波波导在左下侧，这种结构可以实现同样的功能。上述的情形都是在DMI符号为正的情形下得出的，若DMI符号为负，则情况正好相反，此时向上传播的自旋波靠着磁畴壁的左侧，向下传播的自旋波靠着磁畴壁的右侧，因此自旋波波导的位置也要作相应的改变。总结一下就是，DMI的符号决定了自旋波在向上（或向下）传播时靠着磁畴壁的左（或右）侧，由此再决定自旋波波导的相对位置。自旋波波导空间位置的选取原则为，全覆盖自旋波波导能够接收到来自半覆盖自旋波波导的自旋波，且发出的自旋波无法被半覆盖自旋波波导所接收；半覆盖自旋波波导只能够发出自旋波，无法接收从全覆盖自旋波波导的发来的自旋波。

本发明中，第二波导2所覆盖的0至0.5个磁畴壁所处的束缚态自旋波通道中不能有自旋波存在。

本发明中，自旋波波导中传播的自旋波能隙应低于波导外材料的自旋波能隙。

本发明所述磁畴壁内束缚态自旋波的传播方向和自旋波分布空间位置锁定的现象，是指在束缚态自旋波在本发明所述的磁畴壁内传播时，当传播方向沿着磁畴壁的其中一个方向时，其自旋波将偏向磁畴壁的一侧，而当传播方向沿着磁畴壁的另一个方向时，其自旋波将偏向磁畴壁的另一侧的现象。下面将阐述这一现象的主要科学原理：

在带有DMI效应的的磁性材料中，磁的动力学方程由LLG(Landau-Lishitz-Gilbert)方程描述：

（1）