Ilustración esquemática de patrones de textura de espín a nanoescala para estudiar modos de onda de espín confinados, a) Texturas de espín a nanoescala con configuración de espín adaptada con patrón utilizando tam-SPL en una capa ferromagnética polarizada de intercambio continuo, b) caracterización estática de texturas de espín con patrones y el estudio de modos de onda de espín localizados realizados utilizando STXM. La excitación de la onda de giro se habilitó con una antena de microbanda, c) ilustración esquemática de la onda de giro confinada en la pared del dominio de 1800 Néel, propagándose libremente a lo largo de la pared. Crédito: Física de la comunicación doi:10.1038 / s42005-018-0056-x.
Las tecnologías de procesamiento de información que normalmente se basan en cargas de electrones también pueden, teóricamente, hacer uso del espín eléctrico. La espintrónica Magnon puede aprovechar las ondas de giro cuantificadas, magnones, como portadores de corrientes de espín en circuitos magnónicos integrados. El carácter de onda y la propagación de ondas de espín sin calentamiento en julios es una combinación prometedora para diseñar plataformas informáticas altamente eficientes con circuitos magnónicos integrados. Si bien es crucial, la realización de circuitos a nanoescala es extremadamente desafiante debido a la dificultad de adaptar las propiedades magnéticas nanoscópicas utilizando los existentes, técnicas convencionales. Por lo tanto, la magnónica es un campo de investigación joven en la intersección del estudio de la dinámica de espín y la ciencia y tecnología a nanoescala.
En un estudio reciente, ahora publicado en Naturaleza Comunicaciones Física , Físicos multidisciplinarios de EE. UU. y Europa desarrollaron en colaboración nanoescala, reconfigurable, circuitos de ondas de giro que utilizan texturas de giro estampadas. En el trabajo, Edoardo Albisetti y sus colaboradores visualizaron y canalizaron las ondas de espín que se propagaban en guías de ondas nanomagnónicas arbitrarias utilizando imágenes de microscopía de rayos X de transmisión de barrido resuelto en el espacio y el tiempo (STXM), sin corrientes ni campos magnéticos externos. Además, los físicos demostraron un circuito prototípico basado en dos nano guías convergentes para permitir la superposición espacial sintonizable y la interferencia de modos de onda de espín confinados. El trabajo sienta las bases para utilizar texturas de espín diseñadas como bloques de construcción para dispositivos informáticos basados en ondas de espín.
La manipulación de ondas giratorias es una alternativa prometedora a la electrónica convencional para desarrollar plataformas informáticas energéticamente eficientes. con muchos conceptos propuestos en los últimos años para realizar el concepto, desde ondas de giro de intercambio de dipolos en geometría restringida hasta fibras de ondas de giro basadas en el par de giro en órbita. Un desafío importante que ha obstaculizado la realización de circuitos de ondas de espín a nanoescala es la canalización y dirección eficientes de las ondas de espín. hasta ahora solo integrado en elementos de tamaño micrométrico a través de campos externos, o mediante el uso de matrices de nanoimanes. En el camino hacia la nanomagnónica, es muy atractivo considerar el uso de texturas de espín a nanoescala para controlar la propagación de ondas de espín, aunque los métodos convencionales han obstaculizado tales esfuerzos basados en paredes de dominio (en las que los dipolos magnéticos o los espines se reorientan). Además, la capacidad de dirigir las texturas de espín para controlar las ondas de espín en un circuito de ondas de espín a nanoescala también ha permanecido esquiva. Es más, Las dimensiones confinadas de tales modos de onda de giro aún no se han observado e investigado en detalle.
La estructura de la muestra, caracterización estática y simulaciones micromagnéticas de las texturas de espín modeladas, a) estructura de las muestras estudiadas formada por la bicapa de sesgo de intercambio continuo, b) imagen óptica de la muestra que muestra una antena de microcinta de 2 µm de ancho para la excitación de la onda de giro. La línea punteada blanca es una pared de dominio con un patrón recto con respecto a la antena. Las flechas azules muestran la dirección de magnetización dentro de los dominios, c-e) Imágenes STXM de un muro de dominio recto de 1800 Néel, una pared de dominio de 1800 Néel en forma de parábola y una compleja textura de espín que compone dos paredes convergentes de 1800 Néel que comparten un ápice común. No se aplicó ningún campo magnético externo a (c) y (d). En (e) se aplicó un campo de 1.5 mT para controlar la distancia entre las dos paredes de dominio y la posición del ápice, f-h) simulaciones micromagnéticas correspondientes a los paneles superiores. Las flechas negras indican las configuraciones de giro locales. Crédito: Física de la comunicación doi:10.1038 / s42005-018-0056-x.
Albesetti y col. demostraron los bloques de construcción fundamentales de los circuitos de ondas de espín utilizando nanoguías magnónicas de forma arbitraria y circuitos de ondas de espín prototípicos. La configuración permitió la superposición sintonizable de señales que se propagan en dos guías de ondas convergentes mediante el modelado de la textura de giro de una película delgada ferromagnética utilizando una técnica previamente establecida de litografía con sonda de barrido magnético asistida térmicamente (tam-SPL). La ausencia de patrones físicos y la reversibilidad de la técnica tam-SPL permitió estructuras nanomagnéticas completamente reconfigurables basadas en texturas de espín con funcionalidad diseñada. Se proporcionó evidencia directa a través de observaciones realizadas utilizando STXM resuelto en el espacio y el tiempo sobre la canalización y dirección de los modos de onda de espín localizados que se propagan dentro de guías de ondas basadas en paredes de dominio recto y curvo. sin un campo magnético externo.
Los autores modelaron diferentes texturas de espín en una bicapa ferromagnética / antiferromagnética de polarización de intercambio mediante el barrido de una sonda de exploración calentada utilizando tam-SPL. El proceso establece la fuerza y la dirección de la anisotropía magnética unidireccional en la película ferromagnética, permitiendo nanopatrones de configuraciones de espín diseñadas. Controlando la geometría del área escaneada por la punta, Se obtuvieron muros de dominio rectos y curvos. Las texturas de espín modeladas y los modos de onda de espín localizados se caracterizaron usando STXM. Se empleó una antena de microbanda para que la excitación de la onda de giro se propagara libremente a lo largo de la pared, en modos conocidos como magnones de invierno.
Después de eso, pilas de Co 40 Fe 40 B 20 (20 millas náuticas), Ir 22 Minnesota 78 (10 nm) y Ru (2 nm) se depositaron en Si de 200 nm de espesor 3 norte 4 membranas mediante pulverización catódica con magnetrón de CC aplicando un campo magnético de 30 mT para fabricar las guías de ondas. Se fabricaron antenas de microbanda (2 µm x 30 µm) en el dispositivo usando litografía óptica. Se obtuvieron imágenes ópticas de la multicapa de polarización de intercambio diseñada para visualizar la orientación de la pared del dominio con patrón con respecto a la antena. Las imágenes STXM estáticas muestran texturas de giro modeladas a través de tam-SPL, seguido de las correspondientes simulaciones micromagnéticas.
Los investigadores utilizaron microscopía de rayos X de transmisión de resolución temporal en la estación terminal polLux (X07DA) de Swiss Light Source para obtener la configuración magnética dependiente del tiempo de las muestras. Usando la técnica, Las ondas de espín se obtuvieron mediante imágenes estroboscópicas con una resolución puntual entre 40 y 75 nm; Se informaron los resultados para paredes curvas y rectas. Se utilizó filtrado gaussiano para mejorar el contraste con una frecuencia de excitación (1,28 GHz) sin un campo magnético estático externo. Las ondas de giro confinadas en la pared del dominio se propagaron lejos de la antena ubicada en la parte inferior de los paneles.
A partir de entonces, se observaron ondas de giro que se propagaban a lo largo de una trayectoria curva a una frecuencia de excitación de 1,11 GHz. Las ondas de giro se limitaron a las paredes con patrón y se detectaron hasta 2 µm de distancia de la antena. Los autores también informaron sobre distancias de propagación más largas a lo largo de una pared de dominio curvo detectable hasta 3,5 µm de distancia de la antena de microbanda.
En el estudio, Las simulaciones micromagnéticas se llevaron a cabo resolviendo la ecuación de movimiento de Landua-Lishitz-Gilbert integrada dentro del software de código abierto MuMax3. Las simulaciones estuvieron de acuerdo con los resultados experimentales para confirmar el carácter de propagación de las excitaciones. La demostración del carácter de propagación y la dispersión positiva confirmaron la posibilidad de utilizar tales modos guiados para transportar información dentro de circuitos nanomagnónicos integrados. Las guías de onda que pueden controlar y manipular modos de giro confinados constituyen bloques de construcción fundamentales para realizar dispositivos nanomagnónicos. Posteriormente, los autores demostraron un circuito nanomagnónico que permitía la superposición espacial sintonizable y la interferencia de los modos de onda de espín guiados que se propagaban en dos guías de ondas convergentes.
Modos de onda giratoria, dispersión simulada y experimental, a) Simulaciones micromagnéticas del modo de ondas de espín en presencia de una pared de dominio Néel 1800 recta y en presencia de una pared Néel 1800 curva. La excitación fue generada por una antena de línea horizontal colocada debajo de la línea discontinua (la frecuencia se indica en cada panel). Las flechas indican la dirección de magnetización dentro de los dominios, c) dispersión de las ondas de giro confinadas en la pared del dominio recto observada. Los círculos azules representan la simulación y los círculos naranjas representan la dispersión experimental. Crédito: Física de la comunicación doi:10.1038 / s42005-018-0056-x.
Usando imágenes STXM, los autores mostraron una textura de espín que comprende dos paredes de dominio que podrían controlarse mediante la aplicación de un pequeño campo magnético estático que varía entre 2 mT y 1,68 mT. El sistema se caracterizó ampliamente para anticipar el control de la superposición y otras propiedades de los modos guiados a través de estímulos externos para visualizar la implementación de funciones lógicas en dispositivos basados en textura de espín; como se había proyectado anteriormente solo con el concepto de interferómetros de ondas de espín.
En este trabajo, los autores diseñaron un circuito nanomagnónico prototípico que permitía la superposición espacial sintonizable de señales que se propagaban en dos guías de ondas convergentes. La perspectiva de desarrollar un circuito a nanoescala reconfigurable fue un desafío experimental de larga data. El trabajo demostró que las texturas de giro de ingeniería eran un poderoso, herramienta versátil que permitió el desarrollo experimental de nanocircuitos. La investigación marca una transición fundamental en el avance experimental hacia dispositivos de computación nanomagnónicos integrados.
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