一种数据非易失性、多功能和可编程的自旋逻辑研究进展

自旋(磁)逻辑器件具有数据非易失性、CMOS电路兼容性、操作速度快等优点,是开发计算存储相融合的非冯·诺依曼计算机架构的理想候选方案之一.本文进一步演示基于自旋霍尔效应的自旋逻辑方案.利用自旋霍尔效应不仅能够实现基本的布尔逻辑功能和数据存储功能,还可以利用自旋轨道力矩磁矩翻转的对称性要求、偏置磁场要求等,进一步实现自旋逻辑器件的可编程和多功能特性.利用这些特点,同一自旋霍尔逻辑器件可以实现"与"、"或"、"非"、"与非"、"或非"等功能.因为这些特性,基于自旋霍尔效应的自旋逻辑单元有望成为后续自旋逻辑器件和电路的核心器件,推动后者的持续开发与广泛应用.     

末端形状对NiFe纳米薄膜磁反转动力学特性的影响

基于微磁学模拟方法研究末端形状对NiFe纳米薄膜的磁反转和自旋波本征动力学特性的调制及磁反转与自旋波模式软化间的内在联系.纳米薄膜微磁结构的相变总是伴随着某种自旋波模式的软化,软化自旋波模式空间分布预示微磁结构相变的路径.存在一临界裁剪度（h₀）.当裁剪度h<h₀时,磁振荡局域于末端边缘的EM自旋波软化诱导磁反转从磁体末端边缘磁矩失稳开始,边缘失稳区域向中央扩展形成反转畴,最后反转畴逐渐移出膜面外而实现反转.当h≥h₀时,形状各向异性导致边缘局域化模式自旋波被抑制,反转场附近一致模式自旋波的软化诱导磁体一致反转.     

自旋电子学材料、物理和器件设计原理的研究进展

文章介绍了作者所在实验室在巨磁电阻(GMR)、隧穿磁电阻(TMR)、庞磁电阻(CMR)和反铁磁钉扎薄膜材料以及单晶金属氧化物、高自旋极化率材料、P-N异质结和纳米环磁随机存储器原理型演示器件设计等研究方面取得的一些重要研究成果和进展.例如:在Al-O势垒磁性隧道结材料体系里,获得室温磁电阻超过80%的国际最好结果;获得两种高性能层状反铁磁钉扎材料体系;发现具有大的电致电阻效应的CMR薄膜材料,并可期望用于电流直接进行磁信息写和读操作的磁存储介质;发现双势垒磁性隧道结中的量子阱态共振隧穿和磁电阻振荡效应,以及纳米器件体系中自旋翻转长度的观测新方法,可用于新型自旋电子学材料及相关器件的人工辅助设计;利用电子自旋共振谱探测和研究了金属氧化物的微观自旋结构和各向异性;在[CoFe/Pt]n磁性金属多层膜中,观测到超高灵敏度的反常霍尔效应;利用纳米环状磁性隧道结作为存储单元,研制出一种新型纳米环磁随机存储器MRAM原理型演示器件.     

磁斯格明子器件及其应用进展

磁斯格明子是一种具有准粒子特性的拓扑纳米磁畴壁结构.由于磁斯格明子具有较好的稳定性和新奇的动力学特性,并可被磁场、电场、电流等方式调控,有望成为高密度、低耗能、非易失性信息存储及逻辑运算的新兴信息载体.自2009年磁斯格明子首次被实验观测到至今,已有多种基于磁斯格明子的器件概念和原型器件被提出.本文对基于磁斯格明子应用的研究进展进行综述,对现阶段几种具有代表性的磁斯格明子器件应用进行简要介绍、分析和总结,包括基于磁斯格明子的赛道存储器件、逻辑计算器件、类晶体管功能器件和纳米级微波振荡器;同时阐述了几种可能的通过磁斯格明子表达二进制信息元的方法;并展望了磁斯格明子的其他潜在应用以及未来基于磁斯格明子器件应用的发展方向.     

磁斯格明子拓扑特性及其动力学微磁学模拟研究进展

具有非平庸拓扑性的新型磁结构斯格明子,由于其拓扑稳定性、尺寸小、低电流驱动等方面的显著优势,有望应用于自旋电子学储存器件.拓扑和凝聚态物理学的结合,使得斯格明子展现出很多有趣的拓扑物理现象,吸引了众多的研究兴趣,同时这些性质也是其电流驱动下动力学特点的重要影响因素.本文从斯格明子的拓扑物理学基础及其自旋电子学器件应用相关动力学两个方面介绍了相关研究进展.在拓扑物理基础方面,介绍了斯格明子的拓扑霍尔效应、斯格明子霍尔效应以及自旋轨道转矩等拓扑性质,由此讨论了斯格明子的动力学性质及其计算方法;在动力学方面,从非均匀电流驱动生成斯格明子、电流驱动下的稳定输运、产生湮灭过程的人工控制几个赛道存储应用关心的问题简要地介绍了相关微磁学模拟研究最新进展.     

光子自旋霍尔效应及其在物性参数测量中的应用

光子自旋霍尔效应是指光束在非均匀介质中传输时,自旋角动量相反的光子在垂直于入射 面的方向发生的横向自旋相关分裂。光子自旋霍尔效应可以和电子自旋霍尔效应作类比：自旋光 子扮演自旋电子的角色,折射率梯度扮演外场的角色。光子自旋霍尔效应源于光的自旋-轨道相互 作用,和两类几何相位有关：一类是动量空间的自旋重定向Rytov-Vlasimirskii-Berry 相位;另 一类是斯托克斯参数空间的Pancharatnam-Berry 相位。光子自旋霍尔效应对物性参数非常敏感, 结合量子弱测量技术,在物性参数测量、光学传感等领域具有重要的应用前景。本文将简单分析 光子自旋霍尔效应的物理根源,回顾近几年不同物理系统中光子自旋霍尔效应的研究进展,介绍 光子自旋霍尔效应在物性参数测量中的应用。最后,展望其在光学模拟运算、显微成像、量子成 像等领域的可能发展方向。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效:即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov-Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe/CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

半导体中自旋轨道耦合及自旋霍尔效应

本文主要评述和介绍半导体微结构中自旋轨道耦合的研究和最近的研究进展。我们细致地讨论了半导体微结构中自旋轨道耦合的物理起源和窄带隙半导体量子阱中的自旋霍尔效应。我们发现目前国际上广泛采用的线性Rashba模型在较大的电子平面波矢处失效：即自旋轨道耦合导致的能带自旋劈裂不再随电子波矢的增加而增加,而是开始下降,即出现强烈的非线性行为。这种非线性的行为起源于导带和价带间耦合的减弱。这种非线性行为还会导致电子的D’yakonov Perel’自旋弛豫速率在较高能量处下降,与线性模型的结果完全相反。在此基础上,我们构造统一描述电子和空穴自旋霍尔效应的理论框架。我们的方法可以非微扰地计入自旋轨道耦合对本征自旋霍尔效应的影响。我们将此方法应用于强自旋轨道耦合的情形,即窄带隙CdHgTe／CdTe半导体量子阱。我们发现调节外电场或量子阱的阱宽可以作为导致量子相变和本征自旋霍尔效应的开关。我们的工作可能会为区别和实验验证本征自旋霍尔效应提供物理基础。     

金属薄膜中的逆自旋霍尔效应

自旋流的产生和测量是自旋电子学面临的重大挑战.逆自旋霍尔效应提供了对自旋流进行电学测量的有效手段.文章总结了近年来人们对金属薄膜中的逆自旋霍尔效应的研究,从非局域电注入、铁磁共振注入、声波共振注入和圆偏振光注入这四种不同的自旋流注入方式来介绍逆自旋霍尔效应的物理机制、实现方式和影响因素.     

应变对两层半氢化氮化镓薄膜电磁学性质的调控机理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理模拟计算,研究了在应变作用下两层半氢化氮化镓纳米薄膜的电学和磁学性质.没有表面修饰的两层氮化镓纳米薄膜的原子结构为类石墨结构,并具有间接能隙.然而,当两层氮化镓纳米薄膜的一侧表面镓原子被氢化时,该纳米薄膜却依然保持纤锌矿结构,并且展示出铁磁性半导体特性.在应变作用下,两层半氢化氮化镓纳米薄膜的能隙可进行有效调控,并且它将会由半导体性质可转变为半金属性质或金属性质.这主要是由于应变对表面氮原子的键间交互影响和p-p轨道直接交互影响之间协调作用的结果.该研究成果为实现低维半导体纳米材料的多样化提供了有效的调控手段,为其应用于新型电子纳米器件和自旋电子器件提供重要的理论指导.     

Switching plasticity in compensated ferrimagnetic multilayers for neuromorphic computing

Current-induced multilevel magnetization switching in ferrimagnetic spintronic devices is highly pursued for the application in neuromorphic computing. In this work, we demonstrate the switching plasticity in Co/Gd ferrimagnetic multilayers where the binary states magnetization switching induced by spin-orbit toque can be tuned into a multistate one as decreasing the domain nucleation barrier. Therefore, the switching plasticity can be tuned by the perpendicular magnetic anisotropy of the multilayers and the in-plane magnetic field. Moreover, we used the switching plasticity of Co/Gd multilayers for demonstrating spike timing-dependent plasticity and sigmoid-like activation behavior. This work gives useful guidance to design multilevel spintronic devices which could be applied in high-performance neuromorphic computing.     

Voltage-Driven Adaptive Spintronic Neuron for Energy-Efficient Neuromorphic Computing

A spintronics neuron device based on voltage-induced strain is proposed.The stochastic switching behavior,which can mimic the firing behavior of neurons,is obtained by using two voltage signals to control the in-plane magnetization of a free layer of magneto-tunneling junction.One voltage signal is used as the input,and the other voltage signal can be used to tune the activation function(Sigmoid-like) of spin neurons.Therefore,this voltage-driven tunable spin neuron does not necessarily use energy-inefficient Oersted fields and spin-polarized current.Moreover,a voltage-control reading operation is presented,which can achieve the transition of activation function from Sigmoid-like to Re LU-like.A three-layer artificial neural network based on the voltage-driven spin neurons is constructed to recognize the handwritten digits from the MNIST dataset.For the MNIST handwritten dataset,the design achieves 97.75% recognition accuracy.The present results indicate that the voltage-driven adaptive spintronic neuron has the potential to realize energy-efficient well-adapted neuromorphic computing.     

面内形状各向异性能对自旋转矩振荡器零场振荡特性的影响

利用Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski方程, 在理论上研究了由磁矩垂直于膜面的自由层和磁矩平行于膜面的极化层组成的自旋转矩振荡器的振荡特性. 数值结果表明面内的形状各向异性能, 可以使自旋转矩振荡器在无磁场情形下产生自激振荡. 此特性可以用能量平衡方程解释, 即面内形状各向异性能可以导致系统中自旋转矩提供的能量与阻尼过程所消耗的能量之间的平衡. 特别是, 面内的形状各向异性能越大, 自旋转矩振荡器的可操控电流范围越大, 并且产生微波信号的频率越大, 但其阈值电流几乎不变.     

基于忆容器件的神经形态计算研究进展

人工智能的快速发展需要人工智能专用硬件的快速发展,受人脑存算一体、并行处理启发而构建的包含突触与神经元的神经形态计算架构,可以有效地降低人工智能中计算工作的能耗.记忆元件在神经形态计算的硬件实现中展现出巨大的应用价值;相比传统器件,用忆阻器构建突触、神经元能极大地降低计算能耗,然而在基于忆阻器构建的神经网络中,更新、读取等操作存在由忆阻电压电流造成的系统性能量损失.忆容器作为忆阻器衍生器件,被认为是实现低耗能神经网络的潜在器件,引起国内外研究者关注.本文综述了实物/仿真忆容器件及其在神经形态计算中的最新进展,主要包括目:前实物/仿真忆容器原理与特性,代表性的忆容突触、神经元及神经形态计算架构,并通过总结近年来忆容器研究所取得的成果,对当前该领域面临的挑战及未来忆容神经网络发展的重点进行总结与展望.     

Tunable in-plane spin orientation in Fe/Si(557) film by step-induced competing magnetic anisotropies

Although the spin-reorientation transition from out-of-plane to in-plane in Fe/Si film is widely reported, the tuning of in-plane spin orientation is not yet well developed. Here, we report the thickness-, temperature- and Cu-adsorptioninduced in-plane spin-reorientation transition processes in Fe/Si(557) film, which can be attributed to the coexistence of two competing step-induced uniaxial magnetic anisotropies, i.e., surface magnetic anisotropy with magnetization easy axis perpendicular to the step and volume magnetic anisotropy with magnetization easy axis parallel to the step. For Fe film thickness smaller than 32 monolayer(ML), the magnitudes of two effects under various temperatures are extracted from the thickness dependence of uniaxial magnetic anisotropy. For Fe film thickness larger than 32 ML, the deviation of experimental results from fitting results is understood by the strain-relief-induced reduction of volume magnetic anisotropy.Additionally, the surface and volume magnetic anisotropies are both greatly reduced after covering Cu capping layer on Fe/Si(557) film while no significant influence of Na Cl capping layer on step-induced magnetic anisotropies is observed.The experimental results reported here provide various practical methods for manipulating in-plane spin orientation of Fe/Si films and improve the understanding of step-induced magnetic anisotropies.     

垂直自由层倾斜极化层自旋阀结构中的磁矩翻转和进动

在理论上研究了垂直自由层和倾斜极化层自旋阀结构中自旋转移矩驱动的磁矩翻转和进动.通过线性展开包括自旋转移矩项的Landau-Lifshitz-Gilbert方程并使用稳定性分析方法,得到了包括准平行稳定态、准反平行稳定态、伸出膜面进动态以及双稳态的磁性状态相图.发现通过调节电流密度和外磁场的大小可以实现磁矩从稳定态到进动态之间的转化以及在两个稳定态之间的翻转.翻转电流随外磁场的增加而增加,并且受自旋极化方向的影响.当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向平行时,翻转电流最小;当自旋极化方向和自由层易磁化轴方向垂直时,翻转电流最大.通过数值求解微分方程,给出了不同磁性状态磁矩随时间的演化轨迹并验证了相图的正确性.     

The origin of spin current in YIG/nonmagnetic metal multilayers at ferromagnetic resonance

Spin pumping in yttrium-iron-garnet(YIG)/nonmagnetic-metal(NM) layer systems under ferromagnetic resonance(FMR) conditions is a popular method of generating spin current in the NM layer.A good understanding of the spin current source is essential in extracting spin Hall angle of the NM and in potential spintronics applications.It is widely believed that spin current is pumped from precessing YIG magnetization into NM layer.Here,by combining microwave absorption and DC-voltage measurements on thin YIG/Pt and YIG/NM_1/NM_2(NM_1 =Cu or Al,NM_2 =Pt or Ta),we unambiguously showed that spin current in NM,instead of from the precessing YIG magnetization,came from the magnetized NM surface(in contact with thin YIG),either due to the magnetic proximity effect(MPE) or from the inevitable diffused Fe ions from YIG to NM.This conclusion is reached through analyzing the FMR microwave absorption peaks with the DC-voltage peak from the inverse spin Hall effect(ISHE).The voltage signal is attributed to the magnetized NM surface,hardly observed in the conventional FMR experiments,and was greatly amplified when the electrical detection circuit was switched on.     

Synchronization of nanowire-based spin Hall nano-oscillators

The synchronization of the spin Hall nano-oscillator (SHNO) device driven by the pure spin current has been investigated with micromagnetic simulations. It was found that the power spectra of nanowire-based SHNO devices can be synchronized by varying the current flowing in the heavy metal (HM) layer. The synchronized signals have relatively high power and narrow linewidth, favoring the potential applications. We also found that the synchronized spectra are strongly dependent on both the number and length of nanowires. Moreover, a periodic modulation of power spectra can be obtained by introducing interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (iDMI). Our findings could enrich the current understanding of spin dynamics driven by the pure spin current. Further, it could help to design novel spintronic devices.     

铁磁/重金属双层薄膜结构中磁性状态的稳定性分析

本文在理论上研究了铁磁/重金属双层薄膜结构中自旋霍尔效应自旋矩驱动的磁动力学. 通过线性稳定性分析, 获得了以电流和磁场为控制参数的磁性状态相图. 发现通过调节电流密度和外磁场, 可以获得不同的磁性状态, 例如: 平面内的进动态、平面内的稳定态以及双稳态. 当外磁场的方向在一定的范围时, 通过调节电流密度可以实现磁矩的翻转和进动. 同时, 通过数值求解微分方程, 给出了这些磁性状态磁矩的演化轨迹.     

Out-of-Plane Torque Influence on Magnetization Switching and Susceptibility in Magnetic Multilayers

Based on both the spin diffusion equation and the Landau-LlTshitz-Gilbert （LLG） equation, we demonstrate the influence of out-of-plane spin torque on magnetization switching and susceptibility in a magnetic multilayer system. The variation of spin accumulation and local magnetization with respect to time are studied in the magnetization reversal induced by spin torque. We also research the susceptibility subject to a microwave magnetic field, which is compared with the results obtained without out-of-plane torque.