23、高效节能存储与计算的纳米磁性和自旋电子器件

高效节能存储与计算的纳米磁性和自旋电子器件

1. 自旋波与磁全息设备

在相关的研究结构中，输入的自旋波束由结构左侧的磁电（ME）单元产生，输出则由右侧的ME单元检测。通过在自旋波发射单元之间引入相移 $\Delta\varphi = j\cdot k_l\cdot\tan(\alpha)$ 来控制入射波束的角度 $\alpha$。对三个波数 $k$ 进行了模拟：$k_l = \pi$，$k_l = 0.5\pi$，$k_l = 0.01\pi$。结果表明，输出会随入射角度变化，但在长波长极限 $k_l = 0.01\pi$ 时，输出对角度的依赖性消失，此时照明波束的波长远长于结的尺寸。这些结果展示了磁全息图在同一结构中记录多个图像的能力，磁全息设备可提供高达 $1 Tb/cm^2$ 的数据存储密度和超过 $10^{18} bits/s/cm^2$ 的数据处理速率。

最近，首个2位磁全息存储器已通过实验得到验证。其磁性矩阵是由钇铁石榴石 $Y_3Fe_2(FeO_4) 3$（YIG）在钆镓石榴石 $Gd_3Ga_5O {12}$ 衬底上外延生长而成的双十字结构，具有（111）晶体学取向。YIG 薄膜具有铁磁共振（FMR）线宽 $2\Delta H \approx 0.5 Oe$、饱和磁化强度 $4\pi M_s = 1750 G$ 和厚度 $d = 3.6 \mu m$。由于其长的自旋波相干长度和相对较低的阻尼，YIG 是室温自旋波器件原型设计的最佳候选材料。

该结构的整体长度为 3 mm，臂宽为 360 $\mu m$。在十字结顶部有两个微磁体，它们是存储元件，逻辑位被编码为磁化的两个可能方向。在 YIG 波导顶部制作了六个微天线，用于激发 YIG 材料中的