[发明专利]一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路

说明书

技术领域

本发明涉及微电子技术领域，特别是涉及一种利用磁性斯格明子改变磁颈电阻，从而实现逻辑与门以及逻辑或门。

背景技术

逻辑门是现代电子信息的基础，实现各种基本逻辑关系的电路称为逻辑门电路。在逻辑代数中，逻辑变量有两种取值真(1)和假(0)。而在逻辑电路中，通常定义高电平为逻辑真而低电平为逻辑假，即用高、低电平这两个电学参量分别来表示“1”、“0”这两个逻辑变量，然后利用电路改变电压的高低，从而实现了基本的逻辑门运算。表一给出了逻辑与门的真值表，其中A、B为输入逻辑变量，X为输出逻辑变量。表二给出了逻辑或门的真值表。

表一：逻辑与门的真值表

表二：逻辑或门的真值表

目前常用的逻辑门基于半导体电路，但受半导体材料特性的限制，半导体基逻辑门必须工作在一定的温度范围内。而逻辑电路工作时，由于电流的热效应其器件温度会累积升高，故半导体逻辑门会有相应的散热装置，如散热片、风扇等，从而半导体基逻辑电路有较大的能量耗散。因此，我们提出一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，在电流的驱动下，斯格明子会在磁颈处累积，进而改变磁颈两端的电压。相对于半导体基逻辑电路，其具有能耗低、热稳定性好以及易于集成等特点。

磁性斯格明子是一种磁涡旋态的纳米磁结构，并具有粒子的特性，首先发现于中心不对称的块状晶体中，其具有尺寸小、稳定性高和易操控等特点，被视为下一代电子元件的信息载体。而随着研究的深入，在强自旋轨道耦合的双层薄膜中也发现了这种特殊的准粒子(J.Sampaio,V.Cros,S.Rohart,A.Thiaville,and A.Fert,Nature Nanotechnology,vol.8,pp.839-844,Nov 2013.)，为实现基于斯格明子的电子器件提供了结构基础。而另一方面，人们对斯格明子的产生也进行了广泛的研究，结果表明，电流不仅可以驱动已有斯格明子在薄膜层中移动，还可以在特定形状的薄膜里诱导产生斯格明子(J.Iwasaki,M.Mochizuki,and N.Nagaosa,Nature Nanotechnology,vol.9,pp.156-156,Feb 2014.)。也就是说，利用电流控制薄膜中的斯格明子，可以设计新的电路元件，并与已有的集成电路相兼容。

发明内容

本发明的目的是，提出一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路。由于磁性金属纳米线连接处磁颈宽度不同，导致斯格明子在磁颈处累积或耗散，进而改变了磁颈两端的电压，最终实现逻辑与运算和逻辑或运算。

本发明技术方案：一种基于磁性斯格明子的逻辑门电路，逻辑门基本单元由两条输入磁性金属纳米线右端会聚成一条输出磁性金属纳米线构成，三根磁性金属纳米线带有磁颈，控制三个磁颈的宽度不同(如图2所示的M₁，M₂和M₃)，可以形成“与”逻辑门或者“或”逻辑门；所述的逻辑门为三根磁性金属纳米线构成的三接线端装置，输入端由两根带有磁颈(M_A和M_B)的纳米线组成，其末端会聚形成一条带有磁颈(M_X)的输出磁性金属纳米线。

输入端激发磁性斯格明子的结构为凹状图形。

所述的磁性材料为Co和Pt的双层薄膜。

当所述的逻辑门为“或”逻辑门的“或”功能，两个输入端的磁颈宽度相同，且大于输出端的磁颈宽度。

所述的逻辑门为“与”逻辑门的“与”功能，；两个输入端的磁颈的宽度、临界电流相同，且小于输出端磁颈的宽度、临界电流。

所述的逻辑门单元，输入端纳米线互相平行，在输出和输入线之间的过渡部分包括两根弯曲形状线5，每根弯曲形状线包括1/2的向下抛物线状的线和1/2的向上抛物线状的线。输入端(臂)的左端连接有两个具有相同尺寸的方形电极(1)，输出端(臂)的右端连接有一个方形电极(1)。

所述的逻辑门输入和输出间采用电流驱使磁性斯格明子的移动，从而使得磁性斯格明子在磁颈处累积或耗散；斯格明子被所述磁颈捕获，磁颈电阻相比没有捕获磁性斯格明子时大很多；通过磁颈的电流大于磁颈的临界电流，磁性斯格明子将沿所述电流方向移动，从而磁颈电阻降低，即通过磁颈的电流大于临界电流，斯格明子在电流的驱动下通过磁颈，不会发生累积，其电阻较小。逻辑的“1”表示在磁颈两端之间的较低电压，而逻辑的“0”则表示在磁颈两端之间的较高电压。