磁性绝缘体中的自旋波激发、传输、探测及其应用的理论研究

At this moment, the silicon-based semiconductor technology dominates the information technology. However, the silicon-based technology is facing a couple of barriers in near future, including the shrinking size of the gates, the heating problem, and the energy-saving problem etc. One way of circumventing these barriers is to develop a completely new architecture to replace the silicon based technology. This project is to theoretically study a novel information processing architecture based on magnetic insulators instead of silicon, and using spin waves instead of electrons as information carrier. Since the base is insulator, there is no Joule heating problem. Meanwhile, the energy dissipation is small because of the small magnetic damping in the magnetic insulators. To realize such type of architecture, the core problem of this project is to study the excitation, transport, and detection of spin waves in ferromagnetic insulators, as well as theoretical framework and the designing of the spin wave logic operation. If this project could be carried out as expected, it is possible to provide a novel route and lay the foundation for the future development of the information technology.

现阶段，硅基半导体技术主宰着信息科技。但在不久的将来硅基技术将面临着 多方面不可逾越的壁垒，如器件尺度的减小、发热现象的显著、节能需求的增加等。一种绕 过这些壁垒的解决方案是开发新的硬件架构替代硅基技术。本项目将在理论机制上研究以磁 性绝缘体代替硅为基础，利用自旋波代替电子为信息载体的一种新型的信息处理技术架构。 由于是绝缘体，不会产生焦耳热，其他耗散（如磁阻尼）亦很小，因此发热及能耗极低。为 了实现这种技术架构，本项目的研究的核心问题为磁性绝缘体中的自旋波激发、传输、探测， 及为自旋波逻辑操作奠定必要的理论框架和理论设计基础。如果该项目执行顺利，将可以为 信息技术的下一步发展提供一种新的思路以及奠定必要的理论基础。

现阶段，硅基半导体技术主宰着信息科技。但在不久的将来硅基技术将面临着 多方面不可逾越的壁垒，如器件尺度的减小、发热现象的显著、节能需求的增加等。一种绕 过这些壁垒的解决方案是开发新的硬件架构替代硅基技术。本项目将在理论机制上研究以磁 性绝缘体代替硅为基础，利用自旋波代替电子为信息载体的一种新型的信息处理技术架构。 由于是绝缘体，不会产生焦耳热，其他耗散(如磁阻尼)亦很小，因此发热及能耗极低。为 了实现这种技术架构，本项目的研究的核心问题为磁性绝缘体中的自旋波激发、传输、探测， 及为自旋波逻辑操作奠定必要的理论框架和理论设计基础。如果该项目执行顺利，将可以为 信息技术的下一步发展提供一种新的思路以及奠定必要的理论基础。..本项目研究了 i) 利用磁结构实现对自旋波的调控，即利用磁畴壁或者磁斯格明子等非共线磁结构作为调控手段实现对自旋波的传播实现调控。ii) 利用自旋波实现对磁结构的控制，和内容 i）相反，这里我们试图实现自旋波对磁结构的反作用。从而实现静态磁结构与动态自旋波激发的互动行为。取得了几项重要成果：i）提出两种不同的自旋波波导结构，一种是利用磁畴壁结构做自旋波波导并以局域在磁畴壁上的自旋波束缚态来做信息载体，另一种是利用磁表面各向异性区域作为波导并以其诱导的表面自旋波模式作为信息载体。由于磁畴及起边界（磁畴壁）的可重构性，这种自旋波波导网络结构是一种可擦写的波导结构，因此所构成的自旋波电路是可重写的。ii）提出在磁畴壁作为界面分开的两个磁畴可以作为两种自旋波介质，在磁畴壁作为介质界面可以发生自旋波的反射、折射行为，并且提出了自旋波的散射行为满足拓展的斯涅尔定律。基于我们提出的自旋波斯涅尔定律，我们发现自旋波在磁畴壁处存在类似光学中的全反射行为，利用这种全反射，我们提出了一种利用磁畴壁作为保护层的自旋波‘光纤’结构。iii）研究了磁畴壁对自旋波偏振状态的调控功能。利用广泛存在于具有反转对称性破坏的磁性材料中的Dzyaloshiskii-Moriya相互作用，我们发现在一个线性偏振方向（x-偏振）上的自旋波受到附加的有效势垒的影响。导致在低频下，y偏振没有（或很少）反射，但是x偏振被势垒强烈反射，即反铁磁畴壁可以作为自旋波偏振器;在更高的频率下，两种极化自旋波都几乎完美地传输，但是具有相对的相位延迟，因此反铁磁畴壁起到自旋波延迟器（玻片）的作用。