专利名称：基于自旋波角动量转移力矩的磁化状态翻转的系统及方法
技术领域：
此发明涉及由自旋波角动量转移力矩驱动的磁化状态翻转。
背景技术：
纳米线中磁畴壁的定向移动由于其重要的应用前景成为近年来很受关注的课题。其中一种应用是纳米尺寸器件中的磁数据存储。磁数据存储器件通过磁化模式的操控在磁性介质上进行数据的存储和擦除。磁化状态的转换(也被称为磁化状态翻转)是相对于磁场矢量(磁化矢量)的初始方向进行磁场矢量方向的180度再定位以操控磁化模式的过程。下述条件下磁畴壁可以在纳米线中定向移动(I)静态外磁场或微波(交变磁场)作用和/或(2)自旋极化电流作用。外磁场实际很难实现驱动磁畴壁运动难以实现实际应用。当器件尺寸减小时，形状各向异性效应显著增加，实现磁化状态翻转所需的磁场强度也变大。在磁数据存储的实际应用中，磁场本身的非局域性限制了磁存储设备的密度。通过电子自旋流的自旋转移力矩驱动的磁畴壁运动在磁存储器件中亦难以实现。虽然电子自旋流的自旋转移力矩不需要大磁场，但需要很高的临界电流密度。很高的临界电流密度会产生了很大的焦耳热，其成为了磁化翻转实际应用的瓶颈。上述背景仅仅是意指提供一个关于磁化状态操控的大体介绍，并非意指详细说明。一旦仔细研究下面详细描述的一个或更多的各种非限制性实施例其余附加内容就变得显而易见。
发明内容
下面介绍的是本发明的简明概要，其是为了提供本说明书的某些方面的基本理解。此概要并非是本说明书的全面概观。其并非确定说明书中的任何关键元素，亦非描述本说明书的具体实施例的任何范围或权利要求的任何范围。其主要目的为简明地表述发明中的一些概念并为随后介绍的更多详细描述作铺垫。根据一个或更多的实施例和相应的公开，我们描述了基于自旋波角动量转移力矩的磁化状态翻转的各种非限制性的方面。在实施例中，所描述的系统可以利用自旋波角动量转移力矩来进行磁化状态的翻转。该系统中包含了由一层金属界面分开的处于第一磁化状态的第一磁性层和处于第二磁化状态的第二磁性层。该系统中亦包含一个波源，其配置成在所述第一磁性层中产生自旋波自旋流以通过自旋波角动量转移力矩使所述第二磁性层的磁化状态翻转。在进一步的实施例中，我们描述了自旋电子器件。该自旋电子器件处于一条纳米线内并且包含由一个磁畴壁分开的第一磁畴和第二磁畴。所述第一磁畴具有第一磁化方向，所述第二磁畴具有第二磁化方向。所述纳米线具有一平行于所述第一磁化方向的易磁化轴。所述磁畴壁可以基于自旋波角动量转移力矩在磁纳米线中移动。在另一个实施例中，描述了一种用于利用自旋波角动量转移力矩实现磁化状态翻转的方法。自旋波在器件的第一磁性层中被激发。该器件中包含具有第一磁化方向的第一磁性层、与所述第一磁性层不同的具有第二磁化方向的第二磁性层以及位于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间的壁层或界面。自旋波角动量转移力矩作用在所述第二层磁性层以使其磁化状态翻转。接下来的描述及
本说明书的某些示例性的方面。然而，这些方面表示可以采用本说明书中的各种实施例中的一些各种方法。本说明书的其它方面可以从结合附图考虑的下面的详细描述中明显地看出。
下面的详细描述中，与附图结合列举了许多方面和实施例，其中相同的参考标号指相同的部件，而且其中图1是根据一个实施例的采用自旋阀的一个示例系统的非限制性示意图；图2是根据一个实施例的采用自旋阀的另一个示例系统的非限制性示意图；图3是根据一个实施例的利用自旋阀中产生的自旋波和自旋波角动量转移力矩以实现磁化翻转的一个系统的非限制性示意图。图4是根据一个实施例的具有嵌入的自旋电子器件的一个示例纳米线的非限制性示意图。图5是根据一个实施例的具有利用自旋电子器件中产生的自旋波及自旋波角动量转移力矩以实现磁畴壁的运动的嵌入了自旋电子器件的一个示例纳米线的非限制性示意图。图6是根据一个实施例的具有嵌入了自旋电子器件的一个示例纳米线的非限制性示意图。图7是根据一个实施例自旋波穿过横向磁畴壁结构传播的非限制性示意图。图8是根据一个实施例磁振子无反射地穿过磁畴壁的非限制性示意图。图9表示了说明根据一个实施例当与自旋波作用时的磁畴壁的特征的非限制性曲线图。图10是示出根据一个实施例在位于磁畴壁两侧的两个位置处自旋波的振幅之间的差随磁场变化的非限制性曲线图。图11是示出根据一个实施例当与自旋波作用时的磁畴壁的特征随磁场变化的非限制性曲线图。图12是根据一个实施例的用于在自旋电子器件中使用自旋波角动量转移力矩来实现磁化状态翻转的方法的非限制性过程流程示意图。图13是根据一个实施例的用于在自旋电子器件中使用自旋波角动量转移力矩来实现磁畴壁定向移动的方法的非限制性过程流程示意图。
具体实施方式
参照附图描述了本发明公开的各个方面或特征，其中相同的附图标记指代相同的元件。本说明中包含了大量具体细节，以便对此公开提供一个彻底的理解。然而，可以理解，本公开中的某些方面可以在不需要这些细节的情况下实现，或应用其它方法、元件、成分等等来实现。在其他实例中，众所周知的结构和器件用框图的形式示出，以方便实现各种实施例的描述和说明。根据本发明中描述的一种或多种实施例，我们描述了由自旋波角动量转移力矩驱动的磁化状态翻转的系统和方法。由自旋波角动量转移力矩驱动的磁化状态翻转不要求像磁场驱动应用中所需的强磁场，也不受由于电子自旋转移力矩应用的过高的临界电流密度产生的焦耳热效应的影响。磁振子是自旋波的量子化准粒子。类似于电子，磁振子也携带自旋。磁振子是一个自旋为I的粒子，角动量为h (约化普朗克常数，定义为h/2 π，值为1. 05Χ 10_34焦 秒)。类似于由电子作用于磁体的自旋转移力矩，磁振子也会通过一种自旋(角动量)转移力矩作用于磁体。然而，这种自旋波角动量转移力矩不会像电子自旋转移力矩那样受过多的焦耳热的影响。这里描述的是可以在某些应用中利用自旋波角动量转移力矩来驱动磁化状态翻转的系统和方法，包括多层自旋阀结构和磁纳米线中的磁畴壁运动。图1至图3是可以通过自旋波角动量转移力矩驱动磁化状态翻转的多层自旋阀的示意图，图4至图6是通过自旋波角动量转移力矩驱动磁纳米线中磁畴壁运动的示意图。以下描述中指出，这里描述的系统和方法允许了由自旋波角动量转移力矩驱动的在自旋阀中的磁化状态翻转和在纳米线中的磁畴壁的移动。基于由自旋波角动量转移力矩驱动的磁化状态翻转的系统和方法可以用于克服主要使用电流的自旋电子器件中的焦耳热问题。由自旋波角动量转移力矩驱动的磁化状态翻转也可被用来制造高速、节能的自旋电子器件，该器件可由非金属的其它材料制成，如磁性绝缘体和/或磁性半导体。注意到自旋波角动量转移力矩还有更进一步的应用。为示例性地表示出自旋波角动量转移力矩的作用，此处示意了多层自旋阀和在磁纳米线中的磁畴壁的定向移动。图1示意了根据实施例的非限制性示例系统100的模式图，系统100中应用了自旋阀结构。系统100中的自旋阀基于磁振子携带的自旋，造成了自旋波角动量转移力矩。换句话说，系统100中的自旋阀通过自旋波角动量转移力矩翻转宏自旋(macrospin)的磁化状态。系统100包含处于第一磁化状态Hi1的第一磁性层102。系统100也包含处于第二磁化状态叫的第二磁性层104。第二磁性层104由一层金属态的界面106与第一磁性层102分开。系统也包含一个波源108，其可以在第一磁性层102中产生自旋流110以通过自旋波角动量转移力矩在第二磁性层104中翻转其磁化状态。在实施例中，第一磁性层102和第二磁性层104均是强磁性材料层。例如，第一磁性层102和第二磁性层104可以由不同的铁磁性材料制成，各自有不同的矫顽力。矫顽力是在已经饱和磁化的材料中，使磁化强度回到O所需要施加的反向磁场的强度。 在另一实施例中，第一磁性层102和/或第二磁性层104可以由任何有强磁性的材料制成。该材料可以包括磁性金属但不必包括磁性金属。该材料也可以包含其它材料，如磁性绝缘体或磁性半导体。
在实施例中自旋流110是一束自旋波。自旋波是一种在磁性材料中对磁化状态的扰动，并在磁体中传播。自旋流110的量子化准粒子即为磁振子。磁振子是自旋晶格的一个波色子振动模式，可以大致上认为对应于离子晶格中的声子。波源108可以在第一磁性层102中激发自旋波以在第一磁性层102、第二磁性层104和/或界面106产生自旋流110，其具体可以通过利用垂直于第一磁性层102中的磁化方向％施加的振荡磁场。波源108也可以利用施加在整个系统100上的温度梯度来在第一磁性层102、第二磁性层103和/或界面106产生自旋流110。波源108也可以利用电流来在第一磁性层102、第二磁性层103和/或界面106产生自旋流110。自旋流110将穿过第一磁性层102、界面106和第二磁性层104，可以通过自旋波角动量转移力矩来翻转磁化状态。界面106并不一定为金属。磁性层102、104可以由一层非磁性层202分隔。根据图2，其中根据实施例，示意了示例 系统200的非限制性模式图。系统200是另一种自旋阀的设计。自旋阀系统200是由第一磁性层102、第二磁性层104和他们之间的非磁性分隔层202组成。换句话说，非磁性层202布置于两层磁性材料102和104之间并与二者均相接触。第一磁性层102和第二磁性层104以磁性材料制成。例如，根据实施例，第一磁性层102和第二磁性层104以不同磁性材料制成。与以往的自旋阀不同，以往自旋阀的磁性层必须由磁性金属制成，而此处第一磁性层102和第二磁性层104可以由磁性金属、磁性半导体或磁性绝缘体制成。非磁性层202可以包含非磁性金属和/或非磁性绝缘体。系统200也包含一个可以产生自旋波或自旋流110的产生器。在实施例中自旋波产生于第一层磁性层102。自旋波可通过利用振荡磁场或在自旋阀系统200上施加温度梯度而获得。系统200利用自旋波角动量转移力矩实现磁化状态翻转。系统200中自旋波与磁体之间存在自旋波角动量转移力矩，并其可以被用来驱动磁化状态翻转。理论上，电子和磁振子(自旋波的量子化准粒子)都带有自旋。磁振子为自旋为I的准粒子，角动量为h(约化普朗克常数，定义为h/2 π，值为1.05X10_34焦·秒)。因此，理论上，类似由电子作用于磁体的自旋转移力矩，磁振子也会通过一种自旋(角动量)转移力矩作用于磁体。在自旋波角动量转移力矩中，问题的关键在于如何实现磁振子与磁体之间的自旋交换。如图3所示，是系统300的非限制示例系统的示意图。根据一个实施例，系统300利用自旋阀中产生的自旋波来翻转磁化状态。磁振子在第一磁性层102中激发，携带方向与Hi1相反的自旋302。当磁振子遇到第二磁性层104时，只有携带自旋方向与m2相反的自旋304的磁振子才能通过自旋阀结构。因此，将有一个力矩作用在磁振子上。根据作用-反作用原理(每个作用力或力矩都有一个大小相等方向相反的反作用，牛顿第三定律)，将有一个反作用力矩作用在自由层上(即为示例中的第二磁性层104)。此力矩即称为自旋波角动量转移力矩，产生于移动的磁振子作用于磁体。第二磁性层104中的自旋波角动量转移力矩的方向306示意于图3中。除自旋阀器件外，自旋波角动量转移力矩也可被用来驱动磁畴壁运动。图4是一个示例纳米线400及其中的自旋电子器件的非限制性示意图。自旋电子器件嵌入在纳米线400中。该自旋电子器件包含第一磁畴402，其具有第一磁化方向m3。该自旋单子器件还包含具有与第一磁化方向m3相反的第二磁化方向m4的第二磁畴404。该器件中还包含第一磁畴402和第二磁畴404之间的磁畴壁406。纳米线400具有一条平行于第一个磁化方向m3的易磁化轴408。在实施例中，自旋电子器件包含处于第一磁化状态的第一磁畴和由一个磁畴壁与所述第一磁畴分开的处于第二磁化状态的第二磁畴。如图5所不，自旋波502可以被应用于在自旋电子器件中产生自旋波角动量转移力矩。自旋波502可以于磁纳米线500中产生，并通过自旋波角动量转移力矩实现磁化状态翻转。磁畴壁406向与自旋波502传播方向相反的方向移动。可以通过应用垂直于磁纳米线施加的局域振荡磁场在所述第一磁畴或所述第二磁畴中产生自旋波502。自旋波502也可以通过磁纳米线的温度梯度的建立、电流或其它方式在所述第一磁畴或所述第二磁畴中产生。
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纳米线500是一种新的自旋电子器件，其不依赖电子传导来驱动磁畴壁运动，而是利用自旋波角动量转移力矩来驱动磁畴壁运动。自旋波角动量转移力矩的工作原理之一为磁畴壁406中的自旋波满足一个薛定愕方程,其势讲为一无反射势讲。第一磁畴402中的磁振子携带的自旋504与第一磁畴402的磁化方向m3相反。第二磁畴404中的磁振子携带的自旋504与第二磁畴404的磁化方向m4相反。磁振子在穿过磁畴壁406之后其携带自旋从-h翻转到+h，自旋变化了 2h。这部分自旋被磁畴壁406吸收,造成磁畴壁向与自旋波传播方向相反的方向运动。参照图6，根据实施例，图6为一示例纳米线及其中的自旋电子器件的非限制性示意图。该纳米线具有非磁性-磁性相间的多层结构，并且利用自旋电子器件中生成的自旋波角动量转移力矩来驱动磁畴壁的运动。现参照图7，图7为示例系统700的非限制性示意图。根据实施例，系统700中自旋波穿过磁畴壁横切面传播。磁畴壁是连接具有相对稳定结构的磁体中不同磁化区域的孤子粒子。自旋波(或磁振子)是稳定态磁化状态矢量m附近的小幅度进动(由图7中箭头与其周围的椎体所表不)。在磁畴壁的左侧的一个小区域内施加一个线偏振的振荡磁场，以使得激发的自旋波从左侧穿过磁畴壁。△表示磁畴壁的特征宽度。自旋波从磁畴壁左侧传播到右侧，结果产生相反的磁畴壁的传播方向。根据实施例，图8为磁振子无反射地穿过磁畴壁的示例系统800的非限制性示意图。磁振子无反射地从左侧磁畴402穿过磁畴壁406到右侧磁畴404 (X指不发生反射)。自旋波传播的路径以带箭头的波浪线表示，箭头表示自旋波传播方向。磁振子在磁畴壁406左侧自旋为-h,右侧为h。自旋波角动量转移力矩驱动磁畴壁406向与自旋波方向相反的方向(从右到左)以速度Vdw运动。上述发现可以在一维纳米线中由数值地解Landau-Lifshitz-Gilbert (LLG)方程来验证。我们可以应用一种常见的亚铁磁性绝缘体一乾铁石榴石(YIG)的参数来进行计算。观察得知在穿过磁畴壁后自旋波翻转了其自旋方向，同时磁畴壁向与自旋波传播方向相反的方向移动。
考虑纳米线中的一个头对头的磁畴壁，样品的易磁化方向沿z轴方向，如图6所示。系统中的磁化状态分布可以用LLG方程描述
权利要求
1.一种系统，包含 第一磁性层，其处于第一磁化状态； 第二磁性层，其处于第二磁化状态并且由一个界面与所述第一磁性层分开；以及 波源，其配置成在所述第一磁性层中生成自旋波以通过自旋波角动量转移力矩使所述第二磁性层的磁化状态翻转。
2.根据权利要求1所述的系统，进一步包含一个非磁性材料层，其布置于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间并且与所述第一磁性层和所述第二磁性层均接触。
3.根据权利要求2所述的系统，其中所述非磁性材料层由非磁性金属材料或非磁性绝缘体材料制成。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述第一磁性层的材料或所述第二磁性层的材料从磁性金属材料、磁性半导体材料、磁性绝缘体材料中选取。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述波源利用垂直于所述第一磁化状态的磁化方向施加的振荡磁场来生成所述自旋波。
6.根据权利要求1所述的系统，其中所述波源利用温度梯度在所述第一磁性层、所述第二磁性层或所述界面生成自旋波。
7.根据权利要求1所述的系统，其中所述波源利用电流在所述第一磁性层、所述第二磁性层或所述界面生成自旋波。
8.一种自旋电子器件，包含 第一磁畴，其具有第一磁化方向； 第二磁畴，其具有与第一磁化方向相反的第二磁化方向；以及 磁畴壁，其位于所述第一磁畴与所述第二磁畴之间； 其中，所述自旋电子器件在磁纳米线中，所述磁纳米线具有与所述第一磁畴的所述第一磁化方向平行的易磁化轴。
9.根据权利要求8所述的自旋电子器件，其中自旋波在所述磁纳米线中生成，以通过自旋波角动量转移力矩实现磁化状态翻转。
10.根据权利要求9所述的自旋电子器件，其中所述自旋波是通过施加局域振荡磁场在所述第一磁畴或所述第二磁畴中产生的。
11.根据权利要求9所述的自旋电子器件，其中所述自旋波是通过建立所述磁纳米线的温度梯度或通过电流在所述第一磁畴或所述第二磁畴中产生的。
12.根据权利要求9所述的自旋电子器件，其中所述磁畴壁向与所述自旋波相反的方向移动。
13.根据权利要求8所述的自旋电子器件，其中所述第一磁畴中的磁振子自旋与所述第一磁畴的所述第一磁化方向相反，或者所述第二个磁畴中的磁振子自旋与所述第二磁畴的所述第二磁化方向相反。
14.一种方法，包含 在包括具有第一磁化方向的第一磁性层的一个器件的第一磁性层中生成自旋波， 对具有与所述第一磁化方向不同的第二磁化方向的第二磁性层施加自旋波角动量转移力矩。
15.根据权利要求14所述的方法，其中自旋波的生成步骤进一步包括对所述器件施加局域振荡磁场。
16.根据权利要求14所述的方法，其中自旋波的生成步骤进一步包括对所述器件施加温度梯度。
17.根据权利要求14所述的方法，其中自旋波的生成步骤进一步包括对所述器件施加电流。
18.根据权利要求14所述的方法，进一步包含翻转所述第二磁性层的第二磁化方向。
19.根据权利要求14所述的方法，进一步包含使磁畴壁向与自旋波相反的方向运动。
20.根据权利要求14所述的方法，其中所述器件中进一步包含布置于所述第一磁性层和所述第二磁性层之间并且与所述第一磁性层和所述第二磁性层相接触的一层非磁性层或一层畴壁结构。
全文摘要
本主题申请描述了基于自旋波角动量转移力矩的磁化状态翻转的系统及方法。自旋波自旋流在处于第一磁化状态的第一磁性层中生成。所述自旋波自旋流通过自旋波角动量转移力矩在由一个界面与所述第一磁性层分开的处于第二磁化状态的第二磁性层实现磁化状态翻转。或者，自旋波自旋流在处于第一磁化状态的第一磁畴中生成。所述自旋波自旋流通过自旋波角动量转移力矩实现磁畴壁的定向移动。所述磁畴壁位于所述第一磁畴与处于第二磁化状态的第二磁畴之间。
文档编号G11B5/02GK103035254SQ20121037820
公开日2013年4月10日 申请日期2012年10月8日 优先权日2011年10月3日
发明者王向荣, 严鹏, 王宪思 申请人:香港科技大学