定，尺寸量度可从几纳米到几百 微米。材料多为铁磁性材料，可选自但不限于如下材料：坡莫合金（Permalloy)，钴铁硼 (CoFeB)，钇铁石榴石（YIG)等。其作用，是为自旋波的传输和干涉提供材料基础和方向导 向。
[0029] 本发明中，自旋波激发区及探测区利用了微波信号与自旋波信号的耦合作用，实 现自旋波的激发和探测。此处使用共面波导，附图1中为其比较典型的结构。共面波导包括 三条波导线，中间一条为信号线，两侧均为接地线。三条波导一端相互连接，另一端接微波 仪器，可以实现从信号线到接地线的两个回路。需要指出的是，本发明给出的结构实例中， 回弯的数量及形状并不限于此例中所描述的，其他通过增加传输介质上的共面波导数量达 到多次激发叠加的结构，均包括在本发明所描述的功能结构中。
[0030] 电场调控区的介质上方为电场调控组件，其结构自下而上为电极层、电致伸缩层 (铁电层）、磁致伸缩层（铁磁层）。电极层通过金线与电压源相连。
[0031] 电极层由两个电极组成，分布于电致伸缩层的两侧，其材料可选但不限于如下金 属材料：金（Au)、钼（Pt)、铜（Cu)、错（Al)、钽（Ta)等。
[0032] 电致伸缩层的形状多为薄膜状但不限于此，也可以为其他形状，能够完成本发明 中所述功能即可。材料可选但不限于如下铁电材料：钛酸钡（Barium Titanate，BaTi03)、错 钛酸铅（Lead Zirconate Titanate 又称为 PZT，Pb (Zr 1-xTix) 03)、三甘氨酸硫酸盐（TGS)、 氧化锌（ZnO)、硫化锌（ZnS)等。电致伸缩层的厚度可从纳米级到微米级，具体厚度视对器 件的性能需求而定。
[0033] 磁致伸缩层的形状多为薄膜状但不限于此，也可以为其他形状，能够完成本发明 中所述功能即可。材料可选但不限于如下材料：镍基合金（Ni、Ni-Co合金、Ni-Co-Cu合金）、 铁基合金（如Fe-Ni合金、Fe-Al合金、Fe-Co-V合金）、稀土超磁致伸缩材料等。磁致伸缩 层的厚度多为纳米级，具体厚度视对器件的性能需求而定。
[0034] 以下结合一个基于自旋波在钇铁石榴石（YIG)中传播的器件单元结构为例，具体 说明本发明的结构、功能和应用。需要指出的是，在此公开的详细的示例性实施例，其特定 的结构细节及功能细节仅出于描述实例的目的，并不局限于此种结构，因此，可以选择多种 方式或多种材料来实施本发明，且本发明不应该被理解为仅仅局限于在此提出的示例实施 例，而是应该覆盖本发明范围内的所有变化、等价物与替换物。
[0035] 参照附图1，给出本发明的一个典型的结构实施例：两分支结构。在此需说明的 是，本发明不仅限于两分支结构，可有多个分支，实现更加复杂的逻辑计算功能。附图均为 示意图。
[0036] 此实例中，用于自旋波传输的主体结构使用钇铁石榴石（YIG)材料，厚度为50纳 米。自旋波的传播模式为DE模式，即自旋波传播方向与磁场方向面内垂直的模式。整个单 元结构中心对称（两支路的长度差为零倍的波长），长度为8. 8微米，由中间的环状结构和 左右两侧的臂构成主体结构。环形结构中两个支路可视为宽度为1微米的圆环弧，外弧对 应半径4. 4微米，内弧对应半径3. 6微米，两弧对应的圆心角均为90度。两侧臂可视为长 方体，长为3微米，宽为1. 5微米。
[0037] 两臂上均镀有一回弯的两回路共面波导，除方向相反，结构上完全相同。此处共 面波导材料为金（Au)，厚度为50纳米。针对每一个共面波导单元（此处，一回路为一个单 元），两侧地线及信号线宽度均为300纳米，信号线与地线之间间距为200纳米。每个回弯 结构中两个单元之间间距为200纳米。此处的设计可控制激发出的自旋波波长为1微米。 对于环形结构上的电路调控组件，电极使用材料金（Au)，厚度为30纳米；电致伸缩层使用 材料钛酸钡（BiTa03)，厚度为20纳米；磁致伸缩层使用材料铁镍合金（FeNi)，厚度为20纳 米。
[0038] 功能上，此实例可用于实现逻辑门，真值表如表la、b所示。
[0039] 通过对输入信息对应电压的定义，和自旋波干涉后幅度表征信息的定义，此实例 可实现同或门和与非门的功能，如下表la、b所示。其中，U指能够产生一个周期的相位移 动对应的电压调控场值，U1、U2指分别加在两支路电场调控区的电场强度即电压值，指圆周 率。在此，电压U1、U2为两支路所加实际电压。定义电压U为一个电压单位，对应一个周期 的自旋波相位变化，意即，当在电场调控区加电压U时，介质中自旋波相位发生的变化。此 实例中电压与相位变化为线性变化。
[0040] 当定义：输入信息中，两支路的电压调控情况相同，"0"对应输入电压为零，" 1"对 应输入电压为U ;输出信息中，波形加强对应"1"，波形减弱对应"0"时，可实现同与非门功 能。当定义：输入信息，一支路中"〇"对应输入电压为零，"1"对应输入电压为0. 5U，另一支 路中"0"对应输入电压为零，"1"对应输入电压为一 0. 5U ;输出信息中，幅度加强对应"1"， 幅度减弱对应"〇"时，可实现与非门功能。图2为本发明提出的逻辑器件的功能流程图。
【主权项】
1. 一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，其特征在于：它包含：自旋波激发 区、自旋波分频区、电场调控区、自旋波干涉区、自旋波探测区五个功能区；其基础结构和形 状由自旋波传输介质构成，由于自旋波在介质中的色散关系，当外加磁场或介质内部磁性 发生改变时，自旋波传输的方向及模式发生改变；结构上，自旋波激发区与自旋波探测区的 物理结构相同或相似，均由共面波导（5)及自旋波传输介质（1)组成，在自旋波激发区，首 先将微波信号注入共面波导中，依靠微波信号与介质中自旋电子的耦合作用，使得电子自 旋产生差动，形成规律传播的自旋波；自旋波探测区使用的同样是微波信号与自旋波的耦 合作用，但此时，是由自旋波耦合产生微波信号，通过共面波导传输至测量仪器中；自旋波 分频区与自旋波干涉区同样具有相同或相似的物理结构，均是通过改变传输介质局部的磁 性来实现，为了实现磁性的改变，既能外加磁场，也能改变传输介质的内部磁化方向；功能 上，自旋波分频区将一束自旋波分成具有相同频率的多束自旋波；自旋波干涉区将多束自 旋波汇集成一束自旋波，其中频率相同的成分发生干涉；为了能够量化调控自旋波的干涉， 各支路长度并不一定相等，通过自旋波的波长来区分；电场调控区由多层铁电材料及下方 传输介质构成，通过不同的电压数值表征输入信号；它由金线（6)、电场调控电极（7)、电致 伸缩层（8)、磁致伸缩层（9)及自旋波传输介质（1)构成；在电场调控区，当外加一个电压 信号时，由于电致伸缩效应，电致伸缩层发生应力变化；应力变化传导至磁致伸缩层后，由 于磁致伸缩的逆效应，该层材料磁性发生变化，导致传输介质中自旋波的相位和幅度发生 改变；对于任意一个支路，自旋波经过电场调控区之后，输入的信息由电场传递至自旋波 中，此时，自旋波的相位和幅度作为信息载体，进行传输和逻辑运算。
【专利摘要】一种基于自旋波干涉及多铁性材料的逻辑器件，自旋波激发区、自旋波分频区、电场调控区、自旋波干涉区、自旋波探测区五个功能区；其基础结构和形状由自旋波传输介质构成，由于自旋波在介质中的色散关系，当外加磁场或介质内部磁性发生改变时，自旋波传输的方向及模式发生改变；本发明是一种能实现信息传输及逻辑运算的逻辑器件。因自旋波基于电子自旋，调控电压基于电场，因此都不产生电子或空穴的移动，有效地避免了电流产生的焦耳热，及漏电流带来的静态功耗问题。
【IPC分类】H01L43-12, H01L43-00
【公开号】CN104779342
【申请号】CN201510188999
【发明人】车坪, 于海明, 郭玮, 张学莹, 张有光
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月20日