基于磁性斯格明子的存储器件及该器件存储信息的方法与流程

本发明涉及存储器件，尤其涉及一种基于磁性斯格明子的存储器件，还涉及一种基于磁性斯格明子的存储器件存储信息的方法。

背景技术：

随着信息时代的到来，为了满足需求，也对信息存储器件提出了高密度、高速度、低耗能等方面极速发展的要求。而传统的机型硬盘结构包括：磁盘盘片、磁头、主轴与传动轴等，数据就存放在磁盘盘片中。数据的写入和读出依靠的是机械运动即磁头对其下方的磁盘盘片来进行读写等一系列操作，具有尺寸较大等明显缺点。

技术实现要素：

基于此，有必要针对传统的机型硬盘结构的上述缺点提供一种新的存储器件。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于磁性斯格明子的存储器件，还涉及一种基于磁性斯格明子的存储器件存储信息的方法。

一种基于磁性斯格明子的存储器件，包括：赛道，所述赛道包括第一段、第二段、第三段及第四段；

所述第一段的一端连接所述第二段的一端，所述第二段的另一端连接所述第三段的一端和所述第四段的一端；

在所述第二段材料的表面形成有缺陷；

所述第二段的宽度大于所述第一段的宽度，宽度方向为垂直于所述第一段和第二段中磁性斯格明子在驱动电流下的运动路径的方向；

写入端，设于所述第一段的另一端，用于写入磁性斯格明子；

第一读取端，设于所述第三段的另一端，用于读取进入所述第三段的磁性斯格明子；

第二读取端，设于所述第三段的另一端，用于读取进入所述第四段的磁性斯格明子。

在其中一个实施例中，所述的基于磁性斯格明子的存储器件还包括衬底，所述赛道设于所述衬底上。

在其中一个实施例中，所述第二段的宽度与所述第一段的宽度比值不大于3。

在其中一个实施例中，所述第二段用于使从第一段运动到第二段而被钉扎的磁性斯格明子被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子。

另一方面本发明还提出一种基于磁性斯格明子的存储器件存储信息的方法，所述存储器件为根据前述任一实施例所述的基于磁性斯格明子的存储器件，所述方法包括：

在所述写入端注入极化电流从而写入磁性斯格明子；

在所述赛道上施加驱动电流使得所述写入端写入的磁性斯格明子从第一段运动到第二段而被钉扎在所述第二段，并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子；

分裂后的两个磁性斯格明子中的一个运动到所述第三段，另一个运动到所述第四段；

从所述第一读取端和所述第二读取端读取信息。

在其中一个实施例中，所述存储信息的方法还包括施加擦除电流擦除所述第三段中的磁性斯格明子的步骤。

在其中一个实施例中，所述存储信息的方法，还包括施加擦除电流擦除所述第四段中的磁性斯格明子的步骤。

再一方面，本发明还提出一种基于磁性斯格明子的存储器件，包括：

第一级赛道，包括第一段和第二段，所述第一段的一端连接所述第二段的一端，在所述第二段材料的表面形成有缺陷，所述第二段的宽度大于所述第一段的宽度，宽度方向为垂直于所述第一段和第二段中磁性斯格明子在驱动电流下的运动路径的方向，所述第二段用于使从第一段运动到第二段而被被钉扎的磁性斯格明子被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子；

第二级赛道，包括第一轨道、第二轨道、第三段、第四段、第五段、第六段、第七段及第八段；

所述第一轨道的一端和第二轨道的一端连接所述第二段的另一端，所述第一轨道的另一端连接所述第三段的一端，所述第二轨道的另一端连接所述第四段的一端；

在所述第三段和所述第四段材料的表面形成有缺陷；

所述第一轨道用于将分裂后的两个磁性斯格明子中的一个转化为磁畴壁，所述第二轨道用于将分裂后的两个磁性斯格明子中的另一个转化为磁畴壁；

所述第三段用于将来自所述第一轨道的磁畴壁还原成磁性斯格明子并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子且其中一个进入所述第五段、另一个进入所述第六段，所述第四段用于将来自所述第二轨道的磁畴壁还原成磁性斯格明子并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子且其中一个进入所述第七段、另一个进入所述第八段；

写入端，设于所述第一段的另一端，用于写入磁性斯格明子；

第一读取端，设于所述第五段的另一端，用于读取进入所述第五段的磁性斯格明子；

第二读取端，设于所述第六段的另一端，用于读取进入所述第六段的磁性斯格明子；

第三读取端，设于所述第七段的另一端，用于读取进入所述第七段的磁性斯格明子；

第四读取端，设于所述第八段的另一端，用于读取进入所述第八段的磁性斯格明子。

在其中一个实施例中，所述第二段的宽度与所述第一段的宽度比值不大于3。

此外，本发明还提出一种基于磁性斯格明子的存储器件存储信息的方法，包括：

在所述写入端注入极化电流从而写入磁性斯格明子；

在所述赛道上施加驱动电流使得所述写入端写入的磁性斯格明子从第一段运动到第二段而被钉扎在所述第二段，并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子；

分裂后的两个磁性斯格明子中的一个转化为磁畴壁运动到所述第一轨道，另一个转化为磁畴壁运动到所述第二轨道；

来自所述第一轨道的磁畴壁在第三段还原成磁性斯格明子并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子且其中一个进入所述第五段、另一个进入所述第六段，来自所述第二轨道的磁畴壁在第四轨道还原成磁性斯格明子并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子且其中一个进入所述第七段、另一个进入所述第八段；

从所述第一读取端、所述第二读取端、所述第三读取段及所述第四读取端读取信息。

上述基于磁性斯格明子的存储器件及该器件存储信息的方法，利用在第二段赛道材料的表面形成的缺陷，使磁性斯格明子由第一段赛道进入第二段赛道发生钉扎效应，在驱动电流下使被钉扎的磁性斯格明子分裂成两个独立的磁性斯格明子进入第一和第二读取端，实现了信息同时在第一读取端和第二读取端各自对应的存储区域的多位存储。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或传统技术中的技术方案，下面将对实施例或传统技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一实施例中基于磁性斯格明子的信息存储器件的结构示意图；

图2为本发明一实施例中基于磁性斯格明子的存储器件存储信息的方法的流程图；

图3a为本发明一实施例中写入端极化电流注入磁性斯格明子的示意图；

图3b为本发明一实施例中磁性斯格明子由赛道第一段进入赛道第二段被拉伸的示意图；

图3c为本发明一实施例中驱动电流分裂钉扎后的磁性斯格明子为两个独立的磁性斯格明子的示意图；

图3d为本发明一实施例中分裂后的磁性斯格明子分别进入两个读取端的示意图；

图4a为本发明一实施例中使用电流擦除流入第一读取端的磁性斯格明子的示意图；

图4b为本发明一实施例中使用电流擦除流入第二读取端的磁性斯格明子的示意图；

图5为本发明另一种的基于磁性斯格明子的信息存储器件的结构示意图；

图6为另一实施例中基于磁性斯格明子的信息存储器件信息存储方法示意图。

具体实施方式

为了便于理解本申请，下面将参照相关附图对本申请进行更全面的描述。附图中给出了本申请的实施例。但是，本申请可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使本申请的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。

可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。

可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。

在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。同时，在本说明书中使用的术语“和/或”包括相关所列项目的任何及所有组合。

斯格明子(skyrmion)来自英国核物理学家托尼斯格明(tonyskyrme)在60年代提出了一套用于描述介子间相互作用的非线性场理论，并进一步预言了一种具有拓扑保护性质的类粒子稳定场结构的存在，即斯格明子。这一结构在1975年，belavin和polyakov在理论上提出了一种存在于二维铁磁体中的类粒子亚稳态，即本发明中采用的磁性斯格明子。

斯格明子是一种具有准粒子特性并且受拓扑保护的自旋结构，斯格明子的尺寸可以小到纳米级，有着受拓扑保护的稳定性；而且在信息存储器件中，可以把有无斯格明子作为二进制信息中的“0”或是“1”，即存在一个斯格明子代表信息“1”，没有斯格明子则代表信息“0”，根据实际需要写入数据“1”或者“0”。在电流的驱动下，斯格明子可在赛道中发生输运，从而传递斯格明子中所存储的信息。由于这些特性，斯格明子被普遍认为是高密度、高速度、低能耗的新一代磁存储器件的理想信息存储单元之一。

本公开所涉及到的基于磁性斯格明子的信息存储器件，如图1所示，包括赛道第一段10、赛道第二段20、赛道第三段30、赛道第四段40、写入端11、第一读取端31、第二读取段41。

在其中一个实施例中，赛道的结构主要由相互接触连接的磁性层和强自旋轨道耦合层组成，磁性层是由co或cofe或cofeb等磁性材料构成，其功能是产生和运输磁性斯格明子；强自旋轨道耦合层采用具有较大自旋轨道耦合矩的材料，其功能是产生生成与保持磁性斯格明子所需的dm(dzyaloshinskii-moriya)相互作用。

写入端11在所述赛道第一段10的左端，用于使用极化电流写入磁性斯格明子；赛道第二段20的左侧与赛道第一段10的右侧连接，其中在赛道第二段材料的表面形成有缺陷，且赛道第二段20与赛道第一段10的宽度比不大于3，宽度方向为垂直于所述第一段和第二段中磁性斯格明子在驱动电流下的运动路径的方向，长度可根据实际情况进行设定，在其中一个实施例中，赛道第一段10的宽度为20nm，赛道第二段20的宽度为50nm；所述赛道第二段20的右侧与所述赛道第三段30和所述赛道第四段40的左侧连接。

在一个实施例中，整个赛道设于衬底(图1未示)上。

进一步地，如图2所示，基于磁性斯格明子的信息存储器件存储信息的方法的工作原理如下：

s10、在存储器件的写入端11使用极化电流产生磁性斯格明子50，在驱动电流的作用下，磁性斯格明子50将会沿着赛道移动。

s20、磁性斯格明子50由赛道第一段10进入赛道第二段20，该磁性斯格明子在赛道第二段20由于赛道表面的缺陷会发生钉扎效应，在驱动电流的作用下，被钉扎在赛道上的磁性斯格明子会被分裂成两个独立的磁性斯格明子51、52。

s30、两个独立的磁性斯格明子51和52在驱动电流的作用下，分别运动到赛道第三段30和赛道第四段40，在读取端31和41均可检测到带有相同存储信息的磁性斯格明子。

在步骤s10中，在存储器件的写入端11使用极化电流产生磁性斯格明子50，写入端11可以产生或者不产生斯格明子。斯格明子是具有拓扑保护的自旋结构,因此,在斯格明子成核的过程中需要克服其拓扑稳定性势垒。实际操作中，可以通过多种途径实现这一目标,包括外加磁场、局域热效应、自旋波、电流等方式，外加磁场可以改变系统的整体能量,从而获得斯格明子稳定存在的能量相态。但由于磁场、激光等外界方式并不适用斯格明子器件的应用，所以目前在基于斯格明子的存储器件中斯格明子的产生主要还是使用电学手法。如图3a所示，在一实施例中，可采用自旋极化电流通过自旋极化的扫描隧穿显微镜(sp-stm)的探针注入到磁性层中，翻转局部磁矩方向，且通过自旋极化电流还可以精准的产生或湮灭斯格明子；以上使用自旋极化电流注入的方式产生斯格明子只是一种示例，当然斯格明子也可利用磁畴壁在特定结构中产生或其他手段产生。

在驱动电流的作用下，磁性斯格明子50将会沿着赛道移动，在一实施例中，该驱动电流为在一个时钟周期内，赛道中均会产生一个恒定大小和持续时间的“时钟”驱动脉冲,在这一脉冲驱动电流作用下，已经被写入的斯格明子会沿着纳米赛道依次传递,从而形成一个包含有效信息的斯格明子序列，完成信息的传输过程。

在步骤s20中，磁性斯格明子50由赛道第一段10进入赛道第二段20，该磁性斯格明子50在赛道第二段20由于赛道表面具有缺陷会发生钉扎效应，此时，钉扎在赛道第二段20的磁性斯格明子50在驱动电流的作用下不会发生移动，但当增大所述驱动电流时，被钉扎的磁性斯格明子会被分裂成两个独立的磁性斯格明子51、52，如图3b-3c所示，在一实施例中，该驱动电流的大小在10⁶～10¹²a/m²，具体的驱动电流可根据实际情况进行调整；

在一实施例中，由于赛道第一段10和赛道第二段20的宽度有一个宽度比，即磁性斯格明子是由窄赛道进入宽赛道，磁性斯格明子50进入赛道第二段20时还会被拉伸，如图3b所示。

在步骤s30中，两个独立的磁性斯格明子51和52在驱动电流的作用下，分别运动到赛道第三段30和赛道第四段40，在读取端31和41均可检测到带有相同存储信息的磁性斯格明子。如图3d所示，这样，就实现了信息在不同存储路径的同步存储。在一实施例中，通过在co/ge/fe磁性隧道结(mtj)电学手段实现斯格明子探测的方法，由于mtj的隧穿磁阻取决于自由层中的磁矩方向,当斯格明子运动到由mtj构成的读取头下方时,磁矩方向的改变会导致与自旋有关的电子态发生改变,从而使得mtj隧穿磁阻发生变化，通过读取该阻值的变化即可判断出读取头区域是否存在斯格明子；以上使用隧穿磁阻效应的方法检测斯格明子的存在只是一种示例，也可通过利用斯格明子的非共线性磁阻和各向异性磁阻等效应来检测其存在与否。

进一步地，我们可以通过电流作用精准控制磁性斯格明子的产生和湮灭。在一实施例中，如图4a，我们通过施加电流使得运动到读取端31的磁性斯格明子51湮灭，即擦除掉存储在读取端31的数据，特别地，可以通过sp-stm的探针注入自旋极化电流的方式精准控制斯格明子的湮灭，写入的数据由“1”变为“0”，实现了在特定存储路径进行信息筛查的功能。

在另一实施例中，如图4b，我们通过施加电流使得运动到读取端41的磁性斯格明子52湮灭，即擦除掉存储在读取端41的数据，特别地，可以通过sp-stm的探针注入自旋极化电流的方式精准控制斯格明子的湮灭，写入的数据由“1”变为“0”，实现了在特定存储路径进行信息筛查的功能。

本发明还提供另一种基于磁性斯格明子的信息存储器件，如图5所示，所述器件包括第一级赛道、第二级赛道、写入端、第一读取端、第二读取端、第三读取端、第四读取端，其中第一级赛道包括第一段100和第二段200。所述第一段100的一端连接所述第二段200的一端，在所述第二段200材料的表面形成有缺陷，且所述第二段200的宽度大于所述第一段100的宽度，宽度方向为垂直于所述第一段和第二段中磁性斯格明子在驱动电流下的运动路径的方向。所述第二段200用于使从第一段100运动到第二段200而被钉扎的磁性斯格明子被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子。

第二级赛道包括第一轨道301、第二轨道302、第三段401、第四段402、第五段501、第六段502、第七段503及第八段504。所述第一轨道301的一端和第二轨道302的一端连接所述第二段200的另一端，所述第一轨道301的另一端连接所述第三段401的一端，所述第二轨道302的另一端连接所述第四段402的一端。在所述第三段401和所述第四段402材料的表面形成有缺陷。所述第一轨道301用于将分裂后的两个磁性斯格明子中的一个转化为磁畴壁，所述第二轨道302用于将分裂后的两个磁性斯格明子中的另一个转化为磁畴壁。所述第三段401使来自所述第一轨道301的磁畴壁还原成磁性斯格明子并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子且其中一个进入所述第五段501、另一个进入所述第六段502，所述第四段402使来自所述第二轨道302的磁畴壁还原成磁性斯格明子并被驱动电流分裂成两个磁性斯格明子且其中一个进入所述第七段503、另一个进入所述第八段504。

写入端设于所述第一段100的另一端，用于写入磁性斯格明子。

第一读取端设于所述第五段501的另一端，用于读取进入所述第五段501的磁性斯格明子；第二读取端设于所述第六段502的另一端，用于读取进入所述第六段502的磁性斯格明子；第三读取端设于所述第七段503的另一端，用于读取进入所述第七段503的磁性斯格明子；第四读取端设于所述第八段504的另一端，用于读取进入所述第八段504的磁性斯格明子。

基于上述磁性斯格明子的信息存储器件结构的存储信息方法流程图如图6所示，具体实施步骤如下：

s100、赛道第一段100写入磁性斯格明子，驱动电流驱动进入赛道第二段200，磁性斯格明子被被钉扎在赛道上，驱动电流使钉扎的磁性斯格明子分裂为两个独立的磁性斯格明子。

s200、驱动分裂后的磁性斯格明子分别进入第一轨道301和第二轨道302，变成一个磁畴壁对。

s300、持续驱动，磁畴壁对由第一轨道301和第二轨道302分别运动到第三段401和第四段402，磁畴壁对还原成磁性斯格明子，还原后的磁性斯格明子再次发生钉扎效应。

s400、驱动电流使被钉扎在赛道上的磁性斯格明子再次分裂为两个独立磁性斯格明子，继续驱动，分裂后的四个独立的磁性斯格明子会分别运动到赛道第五段501、赛道第六段502、赛道第七段503、赛道第八段504。

s500、在所述赛道第一读取端、所述赛道第二读取端、所述赛道第三读取端和所述赛道第四读取端均可检测到带有相同存储信息的磁性斯格明子。

在步骤s100中，在上述储存器件的第一级赛道100的写入端使用所述极化电流产生磁性斯格明子，写入端可以产生或者不产生斯格明子。在一实施例中，可采用自旋极化电流通过sp-stm的探针注入到磁性层中，翻转局部磁矩方向，且通过自旋极化电流还可以精准的产生或湮灭斯格明子；以上使用自旋极化电流注入的方式产生斯格明子只是一种示例，当然斯格明子也可利用磁畴壁在特定结构中产生或其他手段产生。

驱动电流驱动进入赛道第二段200，在一实施例中，该驱动电流为在一个时钟周期内，赛道中均会产生一个恒定大小和持续时间的“时钟”驱动脉冲,在这一脉冲驱动电流作用下，已经被写入的斯格明子会沿着纳米赛道依次传递,从而形成一个包含有效信息的斯格明子序列，完成信息的传输过程。

磁性斯格明子由所述第一级赛道第一段100进入所述赛道第二段200，该磁性斯格明子在所述赛道第二段200由于材料表面具有缺陷会被钉扎，此时，钉扎在赛道第二段200的磁性斯格明子在驱动电流的作用下不会发生移动，但当增大所述驱动电流时被钉扎的磁性斯格明子会被分裂成两个独立的磁性斯格明子，在一实施例中，该驱动电流的大小在10⁶～10¹²a/m²，具体的驱动电流可根据实际情况进行调整。

在一实施例中，由于赛道第一段100和赛道第二段200的宽度有一个宽度比，即磁性斯格明子是由窄赛道进入宽赛道，所述磁性斯格明子进入赛道第二段200时还会被拉伸。

在步骤s300中，持续驱动，磁畴壁对由第一轨道301和第二轨道302分别运动到第三段401和第四段402，磁畴壁对还原成磁性斯格明子，由于第三段401和第四段402表面具有缺陷，此时，运动到第三段401和第四段402的磁性斯格明子再次被被钉扎，在驱动电流的作用下不会发生移动。

步骤s400中，增大上述的驱动电流可以使被钉扎在赛道上的磁性斯格明子再次分裂为两个独立磁性斯格明子，由于磁性斯格明子具有拓扑保护性，故磁性斯格明子分裂后的性质不会发生变化，仍可以继续传输信息；随着驱动电流，分裂后的四个独立的磁性斯格明子会分别运动到所述赛道第五段501、所述赛道第六段502、所述赛道第七段503、所述赛道第八段504。

在步骤s500中，在所述赛道第一读取端、所述赛道第二读取端、所述赛道第三读取端和所述赛道第四读取端均可检测到带有相同存储信息的磁性斯格明子，即完成了信息的多重复制和多位存储功能。在一实施例中，通过在co/ge/fe磁性隧道结(mtj)电学手段实现斯格明子探测的方法，由于mtj的隧穿磁阻取决于自由层中的磁矩方向,当斯格明子运动到由mtj构成的读取头下方时,磁矩方向的改变会导致与自旋有关的电子态发生改变,从而使得mtj隧穿磁阻发生变化，通过读取该阻值的变化即可判断出读取头区域是否存在斯格明子。

在这种情况下，存储器件中写入端的信息分裂两次，也就是复制四次，在对应的四个数据读取端检测到数据，即通过本发明的基于斯格明子存储器件的存储方法，实现了数据信息的多重复制，以及不同路径的信息同步存储功能。

另一方面，相应的，我们还可以在所述赛道第五段501、所述赛道第六段502、所述赛道第七段503、所述赛道第八段504的另一端即读取端使用电流删除不需要的数据，完成了在特定路径进行信息筛选的功能。在一实施例中，我们可根据需要擦除掉不同读取端所对应的磁性斯格明子，检测到的信息就由“1”变为“0”，完成信息的筛选功能。在一实施例中，可以通过sp-stm的探针注入自旋极化电流在所述第一读取端控制斯格明子的湮灭以达到擦除特定存储路径中斯格明子，完成了在所述第一读取端筛选信息的过程。

在一实施例中，可以通过sp-stm的探针注入自旋极化电流在所述第二读取端控制斯格明子的湮灭以达到擦除特定存储路径中斯格明子，完成了在所述第二读取端筛选信息的过程。

在一实施例中，可以通过sp-stm的探针注入自旋极化电流在所述第三读取端控制斯格明子的湮灭以达到擦除特定存储路径中斯格明子，完成了在所述第三读取端筛选信息的过程。

在一实施例中，可以通过sp-stm的探针注入自旋极化电流在所述第四读取端控制斯格明子的湮灭以达到擦除特定存储路径中斯格明子，完成了在所述第四读取端筛选信息的过程。

在本说明书的描述中，参考术语“有些实施例”、“其他实施例”、“理想实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特征包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性描述不一定指的是相同的实施例或示例。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。