一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法
【专利摘要】一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，其步骤如下：一：利用微波信号发生器产生微波信号，经过平面波导激发出自旋波；二：自旋波在钇铁石榴石YIG里面进行低损耗，高速度传播；三：自旋波通过自旋波干涉器产生“相长干涉”和“相消干涉”；四：利用自旋波霍尔效应将自旋波信号转化成直流可读取的电压信号。本发明通过利用简单的直流电压信号探测自旋波，进而用强电压和弱电压来读取和表征逻辑计算后的以自旋波作为载体的逻辑信息“1”和“0”。相较于传统的利用微波探测自旋波的手段，该方法极大的简化探测自旋波的方式，降低探测自旋波逻辑计算结果的难度，并且避免了二次热耗散。nM
【专利说明】一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法 【【技术领域】】
[0001] 本发明涉及基于自旋波的新型逻辑器件，具体涉及在利用磁性材料的自旋波干涉 进行逻辑运算的器件中，采用直流电压对运算结果进行直接读取的方法。本发明还适用于 任何基于自旋波的全息存储器或图像处理功能的电压读取操作。本发明属于计算机逻辑运 算系统中的新型逻辑器件【技术领域】。 【【背景技术】】
[0002] 基于自旋波的逻辑器件（Spin-wave logic device)是一种新型的利用自旋波 (Spin wave)作为信息载体的新型电子器件。随着电子器件尺寸的不断微小化，由器件内部 电流产生的焦耳热损耗呈指数上升，这不仅使能耗增加，也对器件的稳定性造成负面影响。 基于自旋波的逻辑器件通过用自旋波的〇和η相位信息分别来表征信息存储技术中的二 进制数据〇和1，从而进行信息传输，并可对其进行逻辑运算。和利用自旋极化电流来传输 信息相比，自旋波的优势在于其产生与传播均不依赖载流子的迁移效应，因此可突破微电 子电路中热耗散、RC迟滞等问题。此外，通过将基于自旋波的逻辑器件同其它自旋电子器 件集成在一起，还可以实现基于全电子自旋的信息处理、传输与存储。
[0003] 自旋波是由电子自旋集体进动引起的自旋信息在空间中的传播。自旋波也被称为 磁振子（Magnon)，近年来研究自旋波传播的领域被称为磁电子学（Magnonics)或磁子自旋 电子学（Magnonspintronics)，是现代磁学和电子学的一个交叉学科。基于自旋波的信息传 输和逻辑计算系统被认为是突破摩尔定律限制的未来信息系统中信息传输的重要方式之 〇
[0004] 基于自旋波的电子器件工作原理主要包括三个步骤：自旋波的激发，自旋波的传 输以及自旋波的探测。自旋波的激发可以用微波的方法，利用平面波导来将微波转化为自 旋波在磁性材料中传播，如附图1所示。自旋波的逻辑计算功能主要利用具有不同相位的 自旋波所产生的增强或相消干涉，当自旋波输入信号相位为"〇"时，代表二进制数〇 ;当自 旋波输出信号相位为" Η "时，代表二进制数1，如附图2所示。自旋波的探测一般利用微 波（GHz)手段，即使用平面波导（一个传输的自旋波产生磁通量的变化会导致平面波导周 围产生感应电压），这是一个相对复杂的过程，对于工程化的要求极高。基于此，本发明提出 了一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，可极大地降低自旋波探测的 复杂度。 【
【发明内容】
】
[0005] -、发明目的：
[0006] 如上所述，利用微波手段探测自旋波技术相对复杂且对于工程化要求极高。这对 于自旋波逻辑器件在大规模集成电路中的应用是一个很大的障碍。本发明一种利用自旋 波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，提出一种利用简单的直流电压探测自旋波振 幅的方法。利用强电压和弱电压来读取逻辑计算后的以自旋波作为载体的逻辑信息"1"和 "0"。从而极大降低了探测自旋波逻辑计算结果的难度，并且避免了微波探测自旋波的二次 热耗散。
[0007] 二、技术方案：
[0008] 自旋波的传播是一种自旋流（Spin current)或者说是磁子的传播。本发明基于 利用逆自旋霍尔效应（Inverse Spin Hall effect)，将自旋流首先转换为电流，然后转换 为直流电压信号，从而完成对自旋波的探测。
[0009] 附图3为在磁性材料中利用逆自旋霍尔效应将自旋波信号转换为直流电压信号 的原理和实施办法。自旋波作为一种自旋信息集体振动引起的自旋流，在外磁场的作用下 可以在霍尔条（Hall bar)上产生电压积累。磁场B，自旋波Is，以及探测到的电压％^可 以通过右手定则来进行判断，如图所示。一般来讲，霍尔条用贵金属，纯金或者钼金薄膜来 合成。以自旋波为载体的自旋信息流会在霍尔条上通过逆自旋霍尔效应积累电压，这种电 压信号可以直接通过传统的电压测量方法来获得，例如传统电压计。
[0010] 本发明一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，其步骤如下：
[0011] 步骤一：利用微波信号发生器产生微波信号，经过平面波导激发出自旋波；
[0012] 步骤二：自旋波在YIG (钇铁石榴石）里面进行低损耗，高速度传播；
[0013] 步骤三：自旋波通过自旋波干涉器产生"相长干涉"和"相消干涉"；
[0014] 步骤四：利用自旋波霍尔效应将自旋波信号转化成直流可读取的电压信号。
[0015] 其中，在步骤一所述的"信号发生器"指的是常见商用信号发生器；"平面波导激 发"是利用微波电流产生的电磁振荡激发自旋的集体振荡进而产生自旋波。
[0016] 其中，在步骤二所述的"低损耗"是指自旋波传播相当长的距离而没有明显衰减； "高速度"是指自旋波的群速度。
[0017] 其中，在步骤三所述的"自旋波干涉器"是指图2中的Y型设计。"相长干涉"是指 自旋波振幅叠加，"相消干涉"是指自旋波振幅相互抵消。
[0018] 其中，在步骤四所述的"自旋波信号转化成直流可读取的电压信号"是指利用逆霍 尔效应在霍尔条上产生直流信号。
[0019] 三、优点及功效
[0020] 本发明一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，通过利用简单 的直流电压信号探测自旋波，进而用强电压和弱电压来读取和表征逻辑计算后的以自旋波 作为载体的逻辑信息"1"和"〇"。相较于传统的利用微波探测自旋波的手段，此方法极大的 简化探测自旋波的方式，降低探测自旋波逻辑计算结果的难度，并且避免了二次热耗散。 【【专利附图】
【附图说明】】
[0021] 图1为自旋波微波手段激发用到的平面波导结构。黑色Μ状代表末端封口的平面 波导的结构，其中包括中间的信号线和两侧的地线。向右的黑色箭头代表所激发的自旋波 的传播方向。图中，1表不平面波导，2为传播介质，3为自旋波。
[0022] 图2为自旋波干涉器作为逻辑运算的载体。Υ型结构代表作为自旋波传播媒质的 磁性材料。左边是信号输入，右面是信号输出。其中输入端的相位为〇和η分别代表逻辑 信息〇和1，输出端的电平的高和低分别代表逻辑信息〇和1，该器件可执行有两个输入的 "同或XN0R"逻辑运算，当两个输入同为0或者1的时候，输出都是1，当两个输入不同的时 候，输出是〇。图中，4为输入信号，5为输入信号，7为输出信号，8为传播介质，9为霍尔条。
[0023] 图3和图4为利用逆自旋霍尔效应来将传播性自旋波转化为直流可读取的电压信 号。图中，B表不磁场方向，V ISHE表不逆自旋霍尔电压，Is表不自旋波方向，10表不霍尔条， 11表示自旋波。
[0024] 图5为利用直流电压探测微波激发传播性自旋波的器件构成图。图中，12为衬底， 13为平面波导，14为传播介质，15为霍尔条。
[0025] 图6本发明所述方法流程图。 【【具体实施方式】】
[0026] 传统的用微波方式激发用到的平面波导结构，如图1-6所示，其中，图1黑色Μ状 部分为将微波转换为自旋波的平面波导，顶端短接。中间为信号线，两边为地线，一般是通 过三接头微波探针和微波传输线连接到微波信号发生器上来实现。震荡的微波在自旋波传 输介质中产生可传播性的自旋波。自旋波的频率一般在l _20GHz的范围，根据不同的传播 介质会有相应的变化。
[0027] 自旋波干涉器作为逻辑运算的载体，如图2所示，左边是逻辑运算的输入端，由两 个频率一致的自旋波激发源构成。自旋波的相位0和π分别代表逻辑运算中的〇和1。当 两个自旋波的相位差为〇的时候，在输出端产生相长干涉，进而读取到高电压信号，记录为 逻辑信息1。当两个自旋波的相位差为η的时候，在输出端产生相消干涉，进而读取到低电 压信号，记录为逻辑信息〇。因此，该器件可执行有两个输入的"同或XN0R"逻辑运算，该逻 辑运算真值表如图2所示。若要执行多输入逻辑运算，只需相应增加输入信号数量即可。需 要特别指出的是，该器件还可以执行其它逻辑运算，例如"与AND"、"或0R"、"异或N0R"等。
[0028] 利用逆自旋霍尔效应来将传播性自旋波转化为直流可读取的电压信号，如图3-4 所示，自旋波自左向右传播，外加磁场方向为垂直于纸面向上，当其通过霍尔条的时候会在 两端积累电压，具体的矢量关系由右手定则给出。
[0029] 图5给出一种简单的从自旋波激发，传播到通过直流方法探测的基础器件。更复 杂的逻辑器件可以在传播过程中设计更多的自旋波干涉路径，如图2所示，将这样的器件 单元作为阵列则可以实现大规模的逻辑计算功能，并且可以通过电压信号在任一位置读取 逻辑计算结果。理想的作为自旋波载体磁性材料为具有低自旋耗散因子的磁性绝缘体。（如 钇铁石榴石（YIG)等）磁性材料设计为边缘具有一定角度" Θ "的切角以防止自旋波的边缘 反射，对器件功能造成影响。其中表1位输入端，表2为输出端，表3为运算真值表（XN0R)。
[0030]
【权利要求】
1. 一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法，其特征在于：其步骤如 下： 步骤一：利用微波信号发生器产生微波信号，经过平面波导激发出自旋波； 步骤二：自旋波在钇铁石榴石YIG里面进行低损耗，高速度传播； 步骤三：自旋波通过自旋波干涉器产生"相长干涉"和"相消干涉"； 步骤四：利用自旋波霍尔效应将自旋波信号转化成直流可读取的电压信号。
2. 根据权利要求1所述的一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法， 其特征在于：在步骤一中所述的"信号发生器"指的是常见商用信号发生器；"平面波导激 发"是利用微波电流产生的电磁振荡激发自旋的集体振荡进而产生自旋波。
3. 根据权利要求1所述的一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法， 其特征在于：在步骤二中所述的"低损耗"是指自旋波传播相当长的距离而没有明显衰减； "高速度"是指自旋波的群速度。
4. 根据权利要求1所述的一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法， 其特征在于：在步骤三中所述的"自旋波干涉器"是指Y型设计；"相长干涉"是指自旋波振 幅叠加，"相消干涉"是指自旋波振幅相互抵消。
5. 根据权利要求1所述的一种利用自旋波传播将微波信号转换成直流电信号的方法， 其特征在于：在步骤四中所述的"自旋波信号转化成直流可读取的电压信号"是指利用逆霍 尔效应在霍尔条上产生直流信号。
【文档编号】H03K19/173GK104218945SQ201410424528
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】于海明, 郭玮, 赵巍胜, 张学莹 申请人:北京航空航天大学