Illustrazione schematica del patterning spin-texture su nanoscala per studiare modalità spin-wave confinate, a) Texture di spin su scala nanometrica con configurazione di spin su misura modellata utilizzando tam-SPL in uno strato ferromagnetico polarizzato a scambio continuo, b) caratterizzazione statica di patterned spin-textures e studio di modi spin-wave localizzati eseguiti mediante STXM. L'eccitazione spin-wave è stata abilitata con un'antenna a microstriscia, c) illustrazione schematica dell'onda di spin confinata alla parete del dominio di 1800 Néel, propagandosi liberamente lungo la parete. Credito: Fisica della comunicazione doi:10.1038/s42005-018-0056-x.
Anche le tecnologie di elaborazione delle informazioni che sono tipicamente basate sulle cariche degli elettroni possono teoricamente fare uso dello spin elettrico. La spintronica Magnon può sfruttare le onde di spin quantizzate, magnon, come portatori di correnti di spin nei circuiti magnonici integrati. Il carattere ondulatorio e la propagazione senza riscaldamento joule delle onde di spin è una combinazione promettente per progettare piattaforme di calcolo altamente efficienti con circuiti magnonici integrati. Mentre cruciale, la realizzazione di circuiti su scala nanometrica è estremamente impegnativa a causa della difficoltà di adattare le proprietà magnetiche nanoscopiche utilizzando esistenti, tecniche convenzionali. La magnonica è quindi un giovane campo di ricerca all'intersezione tra lo studio della dinamica di spin e la scienza e la tecnologia su scala nanometrica.
In un recente studio, ora pubblicato in Fisica delle comunicazioni naturali , fisici multidisciplinari negli Stati Uniti e in Europa hanno sviluppato in collaborazione la nanoscala, riconfigurabile, circuiti dell'onda di rotazione utilizzando trame di spin modellate. Nel lavoro, Edoardo Albisetti e collaboratori hanno visualizzato e incanalato le onde di spin che si propagano in guide d'onda nanomagnoniche arbitrarie utilizzando l'imaging mediante microscopia a raggi X (STXM) a scansione risolta nello spazio e nel tempo. senza campi magnetici esterni o correnti. Inoltre, i fisici hanno dimostrato un circuito prototipo basato su due nanoguide convergenti per consentire la sovrapposizione spaziale sintonizzabile e l'interferenza delle modalità d'onda di spin confinate. Il lavoro pone le basi per l'utilizzo di texture spin ingegnerizzate come elementi costitutivi per dispositivi di calcolo basati su spin wave.
La manipolazione delle onde di spin è un'alternativa promettente all'elettronica convenzionale per sviluppare piattaforme di calcolo efficienti dal punto di vista energetico, con molti concetti proposti negli ultimi anni per realizzare il concetto, dalle onde di spin a scambio di dipolo in geometria ristretta alle fibre a onde di spin basate sulla coppia di spin-orbita. Una delle principali sfide che ha ostacolato la realizzazione di circuiti a onde di spin su scala nanometrica è l'efficiente incanalamento e direzione delle onde di spin, finora integrato solo in elementi di dimensioni micron tramite campi esterni, o utilizzando array di nanomagneti. Nel cammino verso la nanomagnonica, è molto interessante considerare l'uso di trame di spin su scala nanometrica per controllare la propagazione delle onde di spin, sebbene i metodi convenzionali abbiano ostacolato tali sforzi basati su pareti di dominio (in corrispondenza delle quali i dipoli magnetici o gli spin si riorientano). Inoltre, anche la capacità di guidare le trame di spin per controllare le onde di spin in un circuito di onde di spin su scala nanometrica è rimasta sfuggente. Inoltre, le dimensioni limitate di tali modi d'onda di spin devono ancora essere osservate e studiate in dettaglio.
La struttura del campione, caratterizzazione statica e simulazioni micromagnetiche delle spin-texture modellate, a) struttura dei campioni studiati costituita dal doppio strato di polarizzazione a scambio continuo, b) immagine ottica del campione che mostra un'antenna a microstriscia larga 2 µm per l'eccitazione dell'onda di spin. La linea tratteggiata bianca è un muro di dominio modellato dritto rispetto all'antenna. Le frecce blu mostrano la direzione della magnetizzazione all'interno dei domini, c-e) immagini STXM di un muro di dominio dritto 1800 Néel, un muro di dominio di 1800 Néel a forma di parabola e una complessa trama di spin che compone due pareti di 1800 Néel convergenti che condividono un apice comune. Nessun campo magnetico esterno è stato applicato a (c) e (d). In (e) è stato applicato un campo di 1,5 mT per controllare la distanza tra le due pareti del dominio e la posizione dell'apice, f-h) simulazioni micromagnetiche corrispondenti ai pannelli superiori. Le frecce nere indicano le configurazioni di spin locali. Credito: Fisica della comunicazione doi:10.1038/s42005-018-0056-x.
Albesetti et al. hanno dimostrato gli elementi costitutivi fondamentali dei circuiti delle onde di spin utilizzando nanoguide magnoniche di forma arbitraria e circuiti prototipici delle onde di spin. La configurazione ha consentito la sovrapposizione sintonizzabile di segnali che si propagano in due guide d'onda convergenti modellando la trama di spin di un film sottile ferromagnetico utilizzando una tecnica precedentemente stabilita di litografia a scansione magnetica assistita termicamente (tam-SPL). L'assenza di modelli fisici e la reversibilità della tecnica tam-SPL ha consentito strutture nanomagnetiche completamente riconfigurabili basate su trame di spin con funzionalità ingegnerizzate. La prova diretta è stata fornita tramite osservazioni effettuate utilizzando STXM risolti nello spazio e nel tempo sulla canalizzazione e il governo delle modalità di onda di spin localizzate che si propagano all'interno di guide d'onda basate su pareti di domini diritte e curve, senza campo magnetico esterno.
Gli autori hanno modellato diverse trame di spin in un doppio strato ferromagnetico/antiferromagnetico di polarizzazione di scambio spazzando una sonda di scansione riscaldata utilizzando tam-SPL. Il processo imposta la forza e la direzione dell'anisotropia magnetica unidirezionale nel film ferromagnetico, consentendo il nanopatterning di configurazioni di spin ingegnerizzate. Controllando la geometria dell'area scansionata dalla punta, sono state ottenute pareti di dominio rettilinee e curve. Le trame di spin modellate e le modalità delle onde di spin localizzate sono state caratterizzate utilizzando STXM. Un'antenna a microstriscia è stata impiegata per l'eccitazione dell'onda di spin propagata liberamente lungo la parete, in modalità note come magnon invernali.
Successivamente, pile di Co 40 Fe 40 B 20 (20nm), Ir 22 mn 78 (10 nm) e Ru (2 nm) sono stati depositati su Si . spesso 200 nm 3 n 4 membrane tramite magnetron sputtering DC applicando un campo magnetico di 30 mT per fabbricare le guide d'onda. Le antenne a microstrip (2 µm x 30 µm) sono state fabbricate nel dispositivo utilizzando la litografia ottica. Il multistrato di polarizzazione dello scambio ingegnerizzato è stato ripreso otticamente per visualizzare l'orientamento della parete del dominio modellato rispetto all'antenna. Le immagini STXM statiche mostravano trame di spin modellate tramite tam-SPL, seguite da corrispondenti simulazioni micromagnetiche.
I ricercatori hanno utilizzato la microscopia a raggi X a trasmissione risolta nel tempo presso la stazione terminale polLux (X07DA) della Swiss Light Source per ottenere la configurazione magnetica dei campioni dipendente dal tempo. Usando la tecnica, le onde di spin sono state riprese stroboscopicamente con una risoluzione in punti compresa tra 40 e 75 nm; sono stati riportati i risultati per pareti curve e diritte. Il filtraggio gaussiano è stato utilizzato per migliorare il contrasto con una frequenza di eccitazione (1,28 GHz) senza un campo magnetico statico esterno. Le onde di spin confinate alla parete del dominio si sono propagate lontano dall'antenna situata nella parte inferiore dei pannelli.
onde di spin che si propagano lungo un percorso curvo sono state osservate successivamente ad una frequenza di eccitazione di 1,11 GHz. le onde di spin sono state confinate alle pareti modellate e rilevate fino a 2 µm di distanza dall'antenna. Gli autori hanno anche riferito di distanze di propagazione più lunghe lungo una parete di dominio curvo rilevabile fino a 3,5 µm di distanza dall'antenna a microstriscia.
Nello studio, le simulazioni micromagnetiche sono state effettuate risolvendo l'equazione del moto di Landua-Lishitz-Gilbert integrata all'interno del software open-source MuMax3. Le simulazioni erano in buon accordo con i risultati sperimentali per confermare il carattere di propagazione delle eccitazioni. La dimostrazione del carattere propagante e della dispersione positiva ha confermato la possibilità di utilizzare tali modalità guidate per trasportare informazioni all'interno di circuiti nanomagnonici integrati. Guide d'onda in grado di controllare e manipolare modi di spin confinati costituiscono elementi costitutivi fondamentali per realizzare dispositivi nanomagnonici. Gli autori hanno successivamente dimostrato un circuito nanomagnonico che ha consentito la sovrapposizione spaziale sintonizzabile e l'interferenza delle modalità d'onda di spin guidate che si propagano in due guide d'onda convergenti.
Modi spin-wave, dispersione simulata e sperimentale, a) simulazioni micromagnetiche del modo spin-waves in presenza di una parete di dominio Néel 1800 diritta e in presenza di una parete di Néel 1800 curva. L'eccitazione è stata generata da un'antenna a linea orizzontale posta sotto la linea tratteggiata (la frequenza è indicata in ogni pannello). Le frecce indicano la direzione della magnetizzazione all'interno dei domini, c) dispersione delle onde di spin confinate alla parete di dominio rettilinea osservata. I cerchi blu rappresentano la simulazione ei cerchi arancioni rappresentano la dispersione sperimentale. Credito: Fisica della comunicazione doi:10.1038/s42005-018-0056-x.
Usando le immagini STXM gli autori hanno mostrato una trama di spin comprendente due pareti di dominio che potrebbero essere controllate tramite l'applicazione di un piccolo campo magnetico statico che va da 2 mT a 1,68 mT. Il sistema è stato ampiamente caratterizzato per anticipare il controllo della sovrapposizione e di altre proprietà dei modi guidati tramite stimoli esterni per prevedere l'implementazione di funzioni logiche in dispositivi basati su spin texture; come precedentemente proiettato solo con il concetto di interferometri ad onda di spin.
In questo lavoro, gli autori hanno progettato un circuito nanomagnonico prototipo che ha consentito la sovrapposizione spaziale sintonizzabile dei segnali che si propagano in due guide d'onda convergenti. La prospettiva di sviluppare un circuito su nanoscala riconfigurabile è stata una sfida sperimentale di lunga data. Il lavoro ha dimostrato che le trame di spin ingegnerizzate erano un potente, strumento versatile che ha permesso lo sviluppo sperimentale di nanocircuiti. La ricerca segna una transizione fondamentale nell'avanzamento sperimentale verso dispositivi di calcolo nanomagnonici integrati.
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