磁斯格明子过滤器及包括其的磁器件和电子设备

本发明涉及一种极性可控的磁斯格明子(skyrmion)过滤器，包括磁斯格明子过滤器的磁器件，以及包括这样的磁器件的电子设备。

背景技术：

1、磁性斯格明子，简称斯格明子，是一种在拓扑结构上非平庸的具有涡旋组态的自旋结构磁孤子。图1示出了两种典型的斯格明子，其中左图(a)为布洛赫(bloch)型斯格明子，右图(b)为奈尔(néel)型斯格明子。斯格明子形成在具有垂直磁各向异性的磁材料中，并且斯格明子的磁化方向可以与图1所示的方向相反，即可以具有不同极性的斯格明子。相较于平庸的磁性结构，斯格明子在能量上具有拓扑不连续性，因而具有更高的稳定性。除了拓扑结构稳定性之外，斯格明子还具有空间尺寸小(3-100nm)、临界驱动电流密度低(～106a/m2)等特性，因此被认为是下一代磁存储器和磁逻辑电路中信息载体的最有竞争力的候选。

2、在基于斯格明子的磁存储器和逻辑电路中，稳定和纯净的斯格明子源是不可或缺的。近年来提出了许多诱导产生斯格明子的方法，比如基于自旋极化电流诱导的斯格明子产生机制、基于激光诱导的斯格明子产生机制、基于磁场诱导的斯格明子产生机制、甚至基于几何受限结构诱导的斯格明子产生机制等。这些斯格明子产生机制基本上都是在垂直各向异性磁薄膜中利用外部能量实现局域磁化翻转，或者通过破坏磁畴壁、嵌套斯格明子等拓扑自旋织构的连续性来实现斯格明子的产生。当利用外磁场诱导产生斯格明子时，由于外磁场的不均匀分布或者其能量的不稳定性可直接导致不同磁自旋织构的产生，因此外场分布与能量调控是产生斯格明子的关键技术之一。例如：通过调控磁场强度可以实现斯格明子与嵌套斯格明子间的转化；通过调节激光能量密度也可以实现斯格明子与其它磁自旋织构间的转化；利用不同范围的自旋极化电流密度不仅可以产生斯格明子，而且也可以产生其它磁自旋织构。然而，在实际产生过程中，由于能量的累积效应或者各种能量之间的相互转换效应，实现纯净斯格明子的产生成为了一种技术难题。不仅如此，材料和器件自身的各种缺陷一定程度上也会影响斯格明子的产生。因此，在斯格明子的产生过程中，不可避免地会相伴产生其他磁自旋织构，比如嵌套斯格明子和嵌套斯格明子包等等其他复合结构，这可能会导致斯格明子输运堵塞或信息失真，从而影响信息存储和逻辑运算。

技术实现思路

1、考虑到上述情况，本发明提供一种斯格明子过滤器，其基于磁化几何效应来实现斯格明子过滤功能，可以设置在斯格明子源与斯格明子功能元件之间。该斯格明子过滤器能够将嵌套斯格明子和嵌套斯格明子包有效地转化成多个斯格明子，来实现过滤功能，并且还可以设计为具有并联结构以实现斯格明子的大批量成倍过滤。在一实施例中，该斯格明子过滤器可通过切换其自身磁化状态来控制被过滤的斯格明子的极性。该斯格明子过滤器可以在自旋极化电流的驱动下稳定高效地过滤斯格明子，有效地滤除嵌套斯格明子和嵌套斯格明子包等复合结构，并且还可以控制过滤斯格明子的极性，从而确保斯格明子功能器件能够稳定运行。该斯格明子过滤器在基于斯格明子的未来自旋电子器件中有广泛的应用前景。

2、本申请的一个方面提供一种斯格明子过滤器，包括：输入部分，用于接收各种类斯格明子自旋织构的输入；输出部分，用于输出过滤后的斯格明子；以及过滤通道，设置在所述输入部分与所述输出部分之间以连接所述输入部分和所述输出部分，其中在与所述斯格明子的流动方向垂直的面内方向上，所述输入部分和所述输出部分的宽度大于在其中传输的斯格明子的直径，所述过滤通道的宽度小于所述斯格明子的直径。

3、在一示例性实施例中，所述过滤通道的宽度小于或等于所述斯格明子的直径的90％，更优选地小于或等于所述斯格明子的直径的80％，并且大于或等于所述斯格明子的直径的50％，至少大于或等于3nm。所述输入部分和所述输出部分的宽度小于或等于所述斯格明子的直径的10倍，更优选地小于或等于所述斯格明子的直径的5倍，并且大于所述斯格明子的直径。

4、在一示例性实施例中，所述输入部分的连接到所述过滤通道的一端形成有凹陷结构，所述过滤通道连接到所述凹陷结构的底部，所述凹陷结构的边缘与所述过滤通道形成一角度，所述角度大于或等于15度且小于90度，优选地大于或等于30度且小于或等于60度，更优选地为大约45度。

5、在一示例性实施例中，所述输出部分的连接到所述过滤通道的一端形成有凹陷结构，所述过滤通道连接到所述凹陷结构的底部，所述凹陷结构的边缘与所述过滤通道形成一角度，所述角度大于或等于15度且小于90度，优选地大于或等于30度且小于或等于60度，更优选地为大约45度。

6、在一示例性实施例中，所述输入部分、所述过滤通道和所述输出部分由相同的层形成为一体结构，或者包括由上述一体结构在垂直方向上叠加形成的多层结构。

7、在一示例性实施例中，所述输入部分和所述过滤通道具有第一垂直磁化方向，所述输出部分具有第二垂直磁化方向，所述第二垂直磁化方向与所述第一垂直磁化方向相同或者相反。

8、在一示例性实施例中，所述斯格明子过滤器包括多个输出部分，所述过滤通道包括分叉结构，所述分叉结构包括两个或者更多个输出分支以连接到两个或者更多个输出部分，以及与所述两个或者更多个输出分支相连的输入主干，所述输入主干用于连接到所述输入部分。

9、在一示例性实施例中，所述斯格明子过滤器包括多个输入部分，所述过滤通道包括分叉结构，所述分叉结构包括两个或者更多个输入分支以连接到两个或者更多个输入部分，以及与所述两个或者更多个输入分支相连的输出主干，所述输出主干用于连接到所述输出部分。

10、在一示例性实施例中，所述过滤通道包括多级分叉结构，上一级分叉结构的输出分支用作下一级分叉结构的输入主干，或者上一级分叉结构的输出主干用作下一级分叉结构的输入分支。

11、在一示例性实施例中，所述多个输出或输入部分中的任意两个输出或输入部分具有彼此平行或者反平行的垂直磁化方向。

12、本申请的另一个方面提供一种磁器件，包括上述斯格明子过滤器。所述磁器件可包括磁存储器或磁逻辑电路，所述斯格明子过滤器设置在所述磁存储器或磁逻辑电路中。

13、本申请的另一个方面提供一种电子设备，其包括上述磁器件。所述电子设备可包括手机、便携式计算机、平板计算机、可穿戴电子设备等。

14、本发明的上述和其他特征和优点将从下面结合附图对示例性实施例的描述变得显而易见。

技术特征：

1.一种斯格明子过滤器，包括：

2.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述过滤通道的宽度小于或等于所述斯格明子的直径的90％，更优选地小于或等于所述斯格明子的直径的80％，并且大于或等于所述斯格明子的直径的50％，至少大于或等于3nm，

3.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述输入部分的连接到所述过滤通道的一端形成有凹陷结构，所述过滤通道连接到所述凹陷结构的底部，所述凹陷结构的边缘与所述过滤通道形成一角度，所述角度大于或等于15度且小于90度，优选地大于或等于30度且小于或等于60度，更优选地为大约45度。

4.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述输出部分的连接到所述过滤通道的一端形成有凹陷结构，所述过滤通道连接到所述凹陷结构的底部，所述凹陷结构的边缘与所述过滤通道形成一角度，所述角度大于或等于15度且小于90度，优选地大于或等于30度且小于或等于60度，更优选地为大约45度。

5.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述输入部分、所述过滤通道和所述输出部分由相同的层形成为一体结构，或者包括由所述一体结构在垂直方向上叠加形成的多层结构。

6.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述输入部分和所述过滤通道具有第一垂直磁化方向，所述输出部分具有第二垂直磁化方向，所述第二垂直磁化方向与所述第一垂直磁化方向相同或者相反。

7.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述斯格明子过滤器包括多个输出部分，所述过滤通道包括分叉结构，所述分叉结构包括两个或者更多个输出分支以连接到两个或者更多个输出部分，以及与所述两个或者更多个输出分支相连的输入主干，所述输入主干用于连接到所述输入部分。

8.如权利要求1所述的斯格明子过滤器，其中，所述斯格明子过滤器包括多个输入部分，所述过滤通道包括分叉结构，所述分叉结构包括两个或者更多个输入分支以连接到两个或者更多个输入部分，以及与所述两个或者更多个输入分支相连的输出主干，所述输出主干用于连接到所述输出部分。

9.如权利要求7或8所述的斯格明子过滤器，其中，所述过滤通道包括多级分叉结构，上一级分叉结构的输出分支用作下一级分叉结构的输入主干，或者上一级分叉结构的输出主干用作下一级分叉结构的输入分支。

10.如权利要求7或8所述的斯格明子过滤器，其中，所述多个输出或输入部分中的任意两个输出或输入部分具有彼此平行或者反平行的垂直磁化方向。

11.一种磁器件，包括权利要求1-10中的任一项所述的斯格明子过滤器，所述磁器件包括磁存储器或磁逻辑电路，所述斯格明子过滤器设置在所述磁存储器或磁逻辑电路中。

12.一种电子设备，包括权利要求11所述的磁器件。

技术总结
本发明涉及磁斯格明子过滤器及包括其的磁器件和电子设备。一种斯格明子过滤器可包括：输入部分，用于接收各种类斯格明子自旋织构的输入；输出部分，用于输出过滤后的斯格明子；以及过滤通道，设置在所述输入部分与所述输出部分之间以连接所述输入部分和所述输出部分，其中在与所述斯格明子的流动方向垂直的面内方向上，所述输入部分和所述输出部分的宽度大于在其中传输的斯格明子的直径，所述过滤通道的宽度小于所述斯格明子的直径。所述斯格明子过滤器可应用于例如磁存储器或磁逻辑电路中对斯格明子进行过滤，以获得稳定并且纯净的斯格明子流。

技术研发人员：朴红光,艾啸林,李昌锋,张雪枫,马晓萍,李慧婷,沈帝虎,王洪福,张寿
受保护的技术使用者：延边大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15