[发明专利]一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构

说明书

本发明提供的基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构，属于自旋波逻辑器件技术领域。具体包括Y字形自旋波波导，连接Y字形自旋波波导两个分叉端的相移自旋波波导，和位于相移自旋波波导的侧面的铁磁层；相移自旋波波导独立传播两个自旋波，铁磁层的长宽比为(1～5)：1，铁磁层的长度小于相移自旋波波导的长度，铁磁层与相移自旋波波导的间距为100～200nm，使得相移自旋波波导靠近铁磁层侧的自旋波与远离铁磁侧的自旋波产生大小为π的相位差，进而实现自旋波的异或逻辑门功能，无需电流、电压等外部手段调控。优选地相移自旋波波导包括自旋波以边缘模式传播的第一自旋波波导，可简化器件结构，利于器件的小型化。

技术领域

本发明属于自旋波逻辑器件技术领域，具体涉及一种基于磁偶极作用的自旋波异或逻辑门结构。

背景技术

随着现代信息技术的不断进步，基于半导体的数字逻辑电路已经达到其量子极限，进一步缩小器件尺寸会带来新的量子效应影响。因此亟需新的方案来满足现代计算机系统的需要，利用自旋波作为信息载体就是其中最有潜力的方案之一。

自旋波是有序磁介质中的集体激发，其特征频率在GHz～THz范围内，因此自旋波器件具有应用频段宽、最大时钟频率高的优点。此外，信息可以用自旋波幅值、相位与频率进行编码，利用自旋波的非线性特性进行信息传递可以增加额外的信息自由度，进一步缩小器件的体积与数量，还能减少器件之间的耦合，增加信息传递的效率。自旋波的发现与研究恰好契合了逻辑器件的发展条件与要求，结合了磁振子特性的自旋波逻辑器件具有低功耗、小尺寸、宽应用频段、逻辑操作简易、具有非易失性等诸多优势。

自旋波逻辑器件主要是通过基于自旋波的干涉效应实现，因此对自旋波进行相位调控是自旋波逻辑器件设计的主要方向，如何对自旋波进行准确且稳定的相位调控成为了当下自旋波逻辑器件的研究重点。现有自旋波移相方式可大致分为两类：基于外场调控设计和基于微磁结构设计。对于自旋波逻辑器件而言，逻辑信号被编码进自旋波的相位或幅值中。因此，为了简化器件结构，无需电信号调控且能完整实现逻辑功能是当前自旋波逻辑器件的设计重点。Louis等人在论文Bias-free spin-wave phase shifter formagnoniclogic(《无偏置场下的自旋波移相器设计》)中提出了一种无外加偏置磁场的磁控移相器的设计方案，该移相器采用局域集体自旋波模式，自旋波在磁纳米点阵列中传播，实现对在畴壁中传播的自旋波的固定移相操作，其相移的大小可通过点缺陷与波导之间的距离调控。德国Kostylev团队(Kostylev M P,Serga A A,Schneider T,et al.Spin-wave logicalgates.Appl Phys Lett,2005,87:153501)提出Mach-Zehnder interferometer(MZI，马赫-曾德尔干涉仪)型自旋波逻辑门，该逻辑门由功分器、移相器等组件组成，在该设计中，其移相是通过施加电流来实现的，当电流施加到一定值时，可使自旋波产生π相移，自旋波经过相移后再进行干涉，可实现同或逻辑门的功能。该设计的亮点在于首创性提出了自旋波逻辑门的设计，利用电流使得自旋波产生π相移，完整实现了自旋波同或逻辑门的功能，但是不足之处在于，该逻辑器件在实现功能的同时需要注入电流，功耗较大，并且该设计实现自旋波相移的大小与电流的大小有关，电流的微小波动都会影响器件的功能，因此该设计存在功耗大且无法稳定控制的缺陷。Louis等人(Louis S,Lisenkov I,Nikitov S,etal.Bias-free spin-wave phase shifter for magnonic logic.AIP Adv,2016,6:065103)利用点缺陷结构实现了对在畴壁中传播的自旋波的移相操作，并利用该特性实现了自旋波异或逻辑门的功能，在0和1的输出状态下，输出振幅的差异可能非常大(15dB)，该设计的亮点在于无需外偏置场条件，且可通过调整点缺陷与波导之间的距离实现不同逻辑功能的自旋波器件。但是不足之处在于其结构较为复杂，制作工艺较为繁琐；并且利用这种结构对自旋波进行精确的相移调控也较为困难。

发明内容