一种基于磁斯格明子的赛道存储器的制作方法

本发明属于磁性存储器领域，具体涉及一种基于磁斯格明子的赛道存储器。

背景技术：

随着大数据与人工智能等高新科技的发展，人们对信息存储的需求与日俱增，急需存储密度更高、读取速度更快的存储器件。赛道存储器是一种新型非易失性存储器，相比于传统硬盘，赛道存储器具有更高的存储密度。2008年parkin等人提出了基于磁畴壁的赛道存储器(s.s.p.parkin,et.almagneticdomain-wallracetrackmemory)。这种赛道存储器通过自旋朝上和自旋朝下的磁畴来进行二进制的信息的编码，将数据存储在一条类似于磁带的纳米带上，通过施加自旋极化电流来驱动磁畴到相应的写入读取位置来实现数据的写入和读取。

磁斯格明子是一种受拓扑保护的磁结构，由于其尺寸小以及较高的稳定性，在赛道存储应用方面有着显著的优势。在基于磁斯格明子的赛道存储器中，用斯格明子的有无来进行二进制码的编译，有斯格明子代表“1”，反之代表“0”。相比于基于磁畴的赛道存储器，基于磁斯格明子的赛道存储器具有更多的优点。首先在功耗上，驱动传统磁畴壁所需的启动电流大约是2.5×10¹¹a/m²，而驱动斯格明子的启动电流只需10⁶a/m²，因此基于磁斯格明子的赛道存储器功耗更低。另外，与磁畴壁相比，磁斯格明子的尺寸更小，一般在几个纳米到几十个纳米之间，使用磁斯格明子作为信息载体的赛道存储器具有更高的存储密度。

磁斯格明子在被自旋极化电流驱动时，由于马格努斯力的作用，斯格明子运动的方向会向纳米带的边缘偏转，这就是所谓的斯格明子霍尔效应。当斯格明子运动到纳米轨道的边界时，边界会对斯格明子产生应该作用力。当电流密度大过一定值时，边界对斯格明子的作用力远小于马格努斯力，此时斯格明子就会在纳米轨道的边界湮灭。在基于磁斯格明子的赛道存储器中，数据读取的快慢取决于斯格明子的运动速度，信息的有效性取决于斯格明子是否能够稳定的在纳米轨道上运动。因此，克服斯格明子效应的影响并且保持斯格明子能在纳米轨道上保持稳定地高速运动是基于磁斯格明子赛道存储器需要解决的问题。

技术实现要素：

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提出一种基于磁斯格明子的赛道存储器，用纳米管轨道替换传统的平面纳米轨道，旨在通过消除边界本身而避免了斯格明子运动到边界消失。由于管状结构是一个闭合的几何曲面，在电流的驱动下，斯格明子在纳米管上会沿着螺旋的轨迹运动。使用纳米管结构作为赛道存储器的轨道，在加大电流时，斯格明子可以在轨道上保持稳定地高速运动，这极大地提高了基于磁斯格明子的赛道存储器的稳定性。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种基于磁斯格明子的赛道存储器，包括磁性纳米管轨道，所述纳米管轨道沿其轨道方向依次分为信息写入部分，信息存储部分，信息读取部分；

利用磁斯格明子的有无来表示二进制数“1”和“0”，有磁斯格明子代表“1”，反之代表“0”，所述的磁斯格明子在所述信息写入部分产生，随后在电流的驱动下沿着纳米管轨道运动进入信息存储部分，经过所述信息存储部分后进入所述信息读取部分读取数据。

作为优选方式，在单个写入周期内，在所述的信息写入部分的磁性隧道结注入第一电流，第一电流的方向垂直于磁性纳米管表面向内，第一电流首先经过固定层被极化成自旋极化电流，其自旋方向与固定层磁矩的自旋方向相同，当第一电流电流流到纳米管轨道时，在纳米管的信息写入部分的位置产生磁斯格明子，进而表示二进制数“1”，反之表示二进制数“0”，所述的第一电流根据写入的逻辑需要来决定在每一个写入周期内是否施加电流。

作为优选方式，所述的信息写入部分是在纳米管一端的外表面套接一个半环形的磁隧道结mtj。

作为优选方式，在单个写入周期结束后进入单个传输周期，在单个传输周期内，在所述的纳米管轨道中注入沿着纳米管轨道方向的第二电流，磁斯格明子在第二电流的驱动下沿着纳米管轨道运动，进入所述的信息存储部分，从而进行单个比特信息的存储，所述的第二电流为周期性的自旋极化脉冲电流，其周期为斯格明子从一个存储单元的位置运动到下一个存储单元位置的时间，其施加的时间在每一个写入周期之后。

作为优选方式，磁斯格明子在第二电流的驱动下，在纳米管上沿着螺旋的轨迹运动，其角向上的速度随着纳米管的厚度增加而增加。

作为优选方式，信息存储部分沿着纳米管轨道分为多个存储单元，每个存储单元存储一个比特的信息，对应于在每个存储单元位置磁斯格明子的有无状态。

作为优选方式，在单个读取周期内，在所述的信息读取部分的磁性隧道结垂直于纳米管表面的方向向内注入第三电流，通过检测信息读取部分的隧道磁阻的变化，进而判断是否有斯格明子经过，有斯格明子经过信息读取部分的纳米管轨道时，为高阻态，反之为低阻态。

作为优选方式，所述的信息读取部分是在纳米管远离信息写入部分的一端套接一个圆环状的磁隧道结，通过检测磁阻的变化来探测是否有斯格明子通过。

作为优选方式，所述的磁性纳米管所用的材料为具有块体dm相互作用的磁性块体材料，并且各向异性的方向垂直于纳米管表面向外。

作为优选方式，磁性纳米管所用的材料为具有原子结构反演对称破缺的b20块体材料，选自mnsi，fege，fecosi，cu2oseo3，mnge，形成的斯格明子为布洛赫型的斯格明子，磁性纳米管具有沿着径向的各向异性方向。

本发明的有益效果为：

(1)传统的基于磁斯格明子的赛道存储器的轨道是平面纳米带结构，在用电流驱动斯格明子时，由于存在斯格明子霍尔效应，斯格明子会偏离纳米带轨道运动，在触碰到纳米带的边界时，斯格明子会在边界湮灭，造成信息丢失或误读。本发明用纳米管结构替代平面纳米带结构，由于纳米管结构是一个闭合的曲面，即使施加很大的电流，斯格明子仍可以稳定地在纳米管上传输。

(2)相比于过去的基于磁畴壁类型的赛道存储器，本发明提出的基于磁斯格明子在纳米管上的赛道存储器具有较高的信息存储密度以及稳定性。

(3)本发明的赛道存储器具有很高的读写速度，当电流密度为10¹³a/m²时，斯格明子在纳米管上的轴向传播运动速度可以达到2000m/s。

(4)本发明提出的在纳米管上运动的斯格明子的角速度与纳米管的厚度有关，例如，在固定纳米管外半径，减小纳米管内半径时，斯格明子的角速度增加，这一性质是在平面纳米带结构中所不具备的。

附图说明

图1为实例中的基于磁斯格明子的纳米管赛道存储器，有斯格明子代表二进制数“1”，反之代表“0”。

2为信息写入部分，3为信息存储部分，4为信息读取部分，5为半环形的磁隧道结，6为圆环状的磁隧道结，7为磁性纳米管轨道。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。

一种基于磁斯格明子的赛道存储器，包括磁性纳米管轨道，所述纳米管轨道沿其轨道方向依次分为信息写入部分，信息存储部分，信息读取部分；

利用磁斯格明子的有无来表示二进制数“1”和“0”，有磁斯格明子代表“1”，反之代表“0”，所述的磁斯格明子在所述信息写入部分产生，随后在电流的驱动下沿着纳米管轨道运动进入信息存储部分，经过所述信息存储部分后进入所述信息读取部分读取数据。

所述的信息写入部分是在纳米管一端的外表面套接一个半环形的磁隧道结mtj。

在单个写入周期内，在所述的信息写入部分的磁性隧道结注入第一电流，第一电流的方向垂直于磁性纳米管表面向内，第一电流首先经过固定层被极化成自旋极化电流，其自旋方向与固定层磁矩的自旋方向相同，当第一电流电流流到纳米管轨道时，在纳米管的信息写入部分的位置产生磁斯格明子，进而表示二进制数“1”，反之表示二进制数“0”，所述的第一电流根据写入的逻辑需要来决定在每一个写入周期内是否施加电流。

在单个写入周期结束后进入单个传输周期，在单个传输周期内，在所述的纳米管轨道中注入沿着纳米管轨道方向的第二电流，磁斯格明子在第二电流的驱动下沿着纳米管轨道运动，进入所述的信息存储部分，从而进行单个比特信息的存储，所述的第二电流为周期性的自旋极化脉冲电流，其周期为斯格明子从一个存储单元的位置运动到下一个存储单元位置的时间，其施加的时间在每一个写入周期之后。

磁斯格明子在第二电流的驱动下，在纳米管上沿着螺旋的轨迹运动，其角向上的速度随着纳米管的厚度增加(例如固定纳米管外半径，减小纳米管内半径)而增加。

信息存储部分沿着纳米管轨道分为多个存储单元，每个存储单元存储一个比特的信息，对应于在每个存储单元位置磁斯格明子的有无状态。

所述的信息读取部分是在纳米管远离信息写入部分的一端套接一个圆环状的磁隧道结，在单个读取周期内，在所述的信息读取部分的磁性隧道结垂直于纳米管表面的方向向内注入第三电流，通过检测信息读取部分的隧道磁阻(tmr)的变化，进而判断是否有斯格明子经过，有斯格明子经过信息读取部分的纳米管轨道时，隧道磁阻边大，为高阻态，反之为低阻态。

所述的磁性纳米管所用的材料为具有块体dm相互作用(dzyaloshinkii-moriyainteraction)的磁性块体材料，并且各向异性的方向垂直于纳米管表面向外。

磁性纳米管所用的材料为具有原子结构反演对称破缺的b20块体材料，选自mnsi，fege，fecosi，cu2oseo3，mnge，这种类型的材料具有块体dm相互作用(dzyaloshinkii-moriyainteraction)，形成的斯格明子为布洛赫型的斯格明子(blochskyrmion)。磁性纳米管具有沿着径向的各向异性方向。

本实施例中，磁性纳米管的外半径为50nm，内半径为30nm，纳米管的长度为400nm，每个存储单元相距50nm，使用的磁性材料是fege，其各向异性的方向垂直于纳米管表面向外。

如图1所示，在写头通入第一电流jw，其电流方向垂直于纳米管表面向内，用于在纳米管上形成磁斯格明子，定义此时表示的二进制数“1”，反之表示二进制数“0”。形成斯格明子后，在第二电流jd的驱动下，斯格明子会沿着纳米管轨道运动，从写头到信息存储部分。最后，通过在读头通入第三电流jr，其电流方向垂直于纳米管表面向内，当有斯格明子经过读头时，读头的隧道磁阻变大，从而读取二进制数“1”，反之为“0”。

下面以存储数据为“01101”为例详细面熟本发明的工作过程。

第一个写入周期t1内，在写头垂直于纳米管表面注入的第一电流jw为0，在纳米管的信息写入部分没有磁斯格明子的产生，进而表示二进制数“0”。

第一个写入周期结束后，关闭第一电流jw，进入第一个传输周期t2。在第一个传输周期的时间内，在纳米管上通入第二电流jd，其方向沿着纳米管的轴向。第一个传输周期结束后，第二电流jd关闭。此时在纳米管的信息存储部分第一个存储单元的存储的信息为“0”。单个写入周期和传输周期构成一个完成的单个比特的存储周期t。

进入第二个写入周期，在写入周期内，在写头垂直于纳米管表面注入的第一电流jw，在纳米管的写入部分产生斯格明子，进而表示二进制数“1”。

第二个写入周期结束后，关闭第一电流jw，进入第二个传输周期。在第二个传输周期的时间内，在纳米管上通入第二电流jd，驱动斯格明子运动到信息存储部分的第一个存储单元。此时，在纳米管的信息存储部分的第一个存储单元为“1”，第二个存储单元为“0”。第二个存储周期结束。

进入第三个存储周期。在写入周期内，在写头垂直于纳米管表面注入的第一电流jw，在纳米管的写入部分产生斯格明子。在传输周期内，在纳米管上通入第二电流jd，驱动斯格明子运动到信息存储部分的第一个存储单元，原先在第一存储单元的斯格明子运动到第二个存储单元。此时，在纳米管的信息存储部分的第一个存储单元为“1”，第二个存储单元为“1”，第三个存储单元为“0”。第三个存储周期结束。

以此类推，在5个存储周期结束后，从第五个存储单元开始到第一个存储单元结束，斯格明子的有无状态依次为，“无”，“有”，“有”，“无”，“有”，即存储的数据为“01101”。

当需要读取数据时，先进入第一个传输周期。在第一个传输周期内，通入第二电流jd，将在纳米管信息存储单元的信息向右移一位，原先在第五个存储单元的信息被移到读头。在第一个传输周期结束后，第二电流jd关闭，进入第一个读取周期，在第一个读取周期的时间内，在信息读取部分的读头注入第三电流jr，其电流方向垂直于纳米管表面向内。此时读取到的隧道磁阻为低阻态，进而读出二进制数“0”。

当第一个读取周期结束后，进入第二个传输周期。在第二个传输周期内，通入第二电流jd，原先在第五个存储单元的斯格明子被驱动到读头区域，此时在信息存储部分从第三个存储单元到第五个存储单元的斯格明子的有无状态依次为，“有”，“无”，“有”。第二个传输周期结束后，第二电流jd关闭，进入第二个读取周期。在第二个读取周期内，在信息读取部分的读头注入第三电流jr，此时因为在读头的位置有磁斯格明子，磁隧道电阻为高阻态，进而读出二进制数“1”。

以此类推，在经过5个读取周期后，可读取纳米管信息存储部分的所有存储信息。

一些实施例中，当电流的密度为10¹³a/m²时，磁斯格明子的运动速度约为2000m/s，脉冲电流jd的周期t2＝50nm/(2000m/s)＝0.025ns。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。