[論文レビュー] Voltage controlled propagating spin waves on a perpendicularly magnetized nanowire

June-Seo Kim, Sanghoon Jung+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 27, 2014

Magnetic properties of thin films参考文献 1被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、垂直磁気異方性（PMA）を電圧で制御することによりスピン波（SW）の位相を操作し、建設的・破壊的干渉を誘発する3端子型スピン波（SW）論理素子を提案する。局所的な電場によってPMAを調整することで、SWの群速度および波長が変化し、出力振幅を高精度に制御できる。PMAの変化が10%未満で十分であり、シリコン技術と互換性がある低消費電力・超高速なSWベース論理概念を実証した。

ABSTRACT

We numerically and analytically investigate the voltage controlled spin wave (SW) propagations in a nanowire with locally manipulated perpendicular magnetic anisotropy (PMA) by applying an electric field. It is shown that the velocity and wavelength of the propagating SWs are tailored by the modified PMA, which can be locally controlled by the external electric field. First, we observe a phase shift when the propagating SWs pass through the area of locally modified PMA. By introducing phase control of the SWs, we finally propose a three terminal SW device. Constructive/destructive interferences of two propagating SWs are controlled at the detecting area by the voltage controlled phase shift.

研究の動機と目的

• 電界誘起PMAの変調が磁性ナノワイヤー内でのスピン波（SW）伝播を制御できるかどうかを調査すること。
• PMAの電圧制御を用いた、伝搬するSWの位相および速度制御の可能性を検討すること。
• PMAの電圧可変性に起因する干渉を基盤とする3端子型SW論理素子の設計およびシミュレーションを行うこと。
• 数パーセントのPMA変化（少数）で、SW干渉を建設的から破壊的へ切り替えることが可能であることを実証すること。

提案手法

• 垂直磁性を有するナノワイヤー（長さ2000 nm、幅100 nm、厚さ5 nm）におけるSWダイナミクスをモデル化するため、オブジェクト指向型マイクロ磁気フレームワーク（OOMMF）を用いたマイクロ磁気シミュレーションを実施。
• x = 500 nm の位置に局所的な正弦波外部磁場（100 mT、13 GHz）を印加して単色SWを励起し、反射を防ぐために吸収境界条件を適用。
• 400–700 nm の5 nm 幅領域に局所的電場を印加し、PMAを0.90Kuから1.10Kuに変調することで、SW分散および位相を変化。
• 交換相互作用、異方性、磁気的自己エネルギー、外部磁場を含む有効磁場下での磁化ダイナミクスを記述するため、ランダウ＝リフシッツ＝ギルバート（LLG）方程式を用いる。
• SW分散関係の解析的モデルを構築し、波数および群速度がPMA強度にどのように依存するかを導出。
• PMA調整によって誘発される対称（同位相）および非対称（逆位相）な配置の下での干渉を、検出点（x = 1800 nm）でSW振幅を比較することにより分析。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 電圧制御PMAの変調が、磁性ナノワイヤー内を伝搬するスピン波（SW）に測定可能な位相シフトを誘発できるか？
• RQ2 PMAの局所的変更が、スピン波の群速度および波長にどのように影響を与えるか？
• RQ3 PMA調整に起因する電圧誘起位相シフトによって出力信号が制御可能な3端子型スピン波素子を設計できるか？
• RQ4 出力で干渉パターンを建設的から破壊的へ切り替えるために必要なPMA変化の大きさはどの程度か？
• RQ5 実際の材料パラメータおよびデバイス幾何学的条件下でも、干渉制御が頑健かつ可逆的に行えるか？

主な発見

• マイクロ磁気シミュレーションおよび解析的モデルの両方で、PMA強度が増加するにつれて、伝搬スピン波の群速度が増加することが確認された。
• PMAを1.00Kuから0.96Kuまたは1.03Kuに調整することで、約πラジアンの位相シフトが誘発され、出力で破壊的干渉が発生した。
• PMAを0.96Kuに低下させた場合、検出点（x = 1800 nm）におけるSW振幅は、基準の1.00Kuと比較して約5倍低下し、強力な干渉制御が実現された。
• PMA強度を0.91Kuから1.09Kuの範囲で変化させた際、出力振幅が周期的に入出力され、PMA調整による干渉の周期的制御が確認された。
• このメカニズムは、10 GHzを超える超高速動作を可能とし、PMAの数パーセントの変化で十分であるため、低消費電力・高速スピントロニクス論理素子に適している。
• 解析的分散関係から、SWの波数（k）がPMAに直接依存することが示され、観測された位相制御の理論的根拠が得られた。