[发明专利]一种自旋波定向传输波导结构

说明书

技术领域

本发明属于磁性材料信号传输技术领域，具体涉及一种磁性绝缘材料中自旋波的定向传输波导结构，用于在磁性绝缘材料中长程单向传输自旋波。

背景技术

自旋波是指在磁性材料中磁性的激发态，它广泛存在于所有磁性材料中。在磁性绝缘材料中，由于没有导电电子，自旋波成为一种新型的传输信息的载体。它易激发，易检测，信息存贮密度大，功耗小，易耦合，与现有工业技术整合性好，是继现代以电子，光为信息载体的下一代信息技术的理想信息载体。

磁性材料中信号的传输是基于磁性材料的信息处理系统的关键部分，是连接信号发射端和检测端的中枢，在基于磁性材料的器件和系统研制中具有极为重要的应用。在磁性材料构成的器件和系统中，自旋波的发射端和检测端是分离的，器件的工作效率直接决定于自旋波在磁性绝缘材料中传输的效率。在发射端激发的自旋波，除去满足工作要求的自旋波，同时有许多额外的不需要的，不利于器件正常工作的自旋波成分，这些成分必须在传输过程中去除。发射端和检测端通常位于固定的位置，为了有效地发射和检测，自旋波在传输过程中必须进行有效的导向。这些自旋波传输过程中的高效性，选择性，定向性对于磁性材料中的传输结构的设计提出了很高的要求，现有的自旋波的传输结构难以满足这一要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种效率高的自旋波定向传输波导结构，用于在磁性材料中长程定向传输自旋波。

本发明所提供的自旋波定向传输波导结构，是在具有DMI(Dzyaloshinskii-Moriya Interaction, Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用)效应的铁磁绝缘材料的二维薄膜上构造的磁结构；该磁结构由若干块指向自旋波传输方向的磁畴和在磁畴之间形成的特定结构的磁畴壁构成；相邻磁畴之间磁化方向相反；其中，通过全反射方式来传输自旋波，通过外加电场改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围的方式来改变自旋波传输方向。

本发明中，所述通过全反射方式来传输自旋波，是指利用波导结构中存在的全反射现象传输自旋波；所述全反射现象是指：在某个磁畴里以一定能量传输的自旋波以某个范围内的角度入射到磁畴壁时，由于该自旋波在该磁畴壁另一边的磁畴中所要求的自旋波能量高于该入射自旋波的能量，入射的自旋波无法穿越磁畴壁，只能被全部反射回来的现象。

本发明中，所述改变自旋波传输方向是指：通过外加电场改变磁性材料中DMI的相关参数符号，改变自旋波发生全反射所需的入射角度范围，进而改变自旋波传输方向。

本发明中，所述若干块磁畴，一般是3块，或者是4块，等等；当磁畴为4块时，构成双通道-单向自旋波传输波导结构。

本发明中，当DMI效应为体DMI效应（Bulk DMI）时，磁畴壁的种类为布洛赫壁（Bloch Wall）；当DMI效应为界面DMI效应时（Interfacial DMI）,磁畴壁的种类为奈尔壁（Neel Wall）。

相对于传统的自旋波传输结构，本发明的自旋波传输波导结构充分利用了磁性材料中的DMI效应。利用DMI的非对称特性，构造了所述磁结构中自旋波的全反射行为，并利用该全反射行为实现了自旋波的单向传输。该自旋波的全反射行为类比于光在光纤中的全反射行为，而该自旋波波导结构是光纤结构在磁性材料和磁性体系里的拓展。同时，利用该结构中全反射行为的方向选择性，本自旋波导结构实现了自旋波的单向传输特性。该单向选择性赋予了本发明中所述自旋波波导结构比光纤结构更优秀和丰富的传输特性。

与现有的技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

（1）与传统的自旋波传输结构不同，本发明中的自旋波波导结构具有自旋波传输的单向选择特性。

（2）本发明中传输自旋波的方式是全反射方式，对于不符合全反射要求的自旋波全部滤除，对于符合全反射要求的自旋波可做到完美传输，在筛选自旋波的同时，为自旋波的长程传输提供了保证。

（3）本发明基于磁性材料的二维结构，而非普通自旋波传输结构中的一维结构，有效的拓展了自旋波在更多维度上的可能性。

（4）本发明基于同一磁性材料上的磁畴形成的磁畴壁结构，而非不同磁性材料之间形成的磁性异质结结构，有利于自旋波器件的构造。

（5）本发明中自旋波的传输方向可以通过外加电场的方式改变，而无需改变具体的磁结构，具有操作方便，并易于与现有电子工业技术结合的优点。