低维磁电复合结构中自旋波传输信息的多场耦合调制

Aiming to resolve the challenges of high energy consumption and slow response in the conventional magnetic random access memories, we propose to use the spin-wave quantum as the data carriers for designing and creating novel magnonic devices based on multi-field coupling tuning spin waves, which can efficiently excite, transfer, modulate and probe spin waves with new materials and controlling techniques from a fresh perspective by mechanics principles and methodologies. The proposed low-dimensional magnonic devices and systems will be investigated from different aspects based on our previous studies. Firstly, to optimize the geometrical structure parameters of magnetic films in the magnonic devices, and look for novel magnetic materials and microstrip structures to achieve strong spin wave resonance (SWR) and long-distance spin wave transmission; Secondly, to construct the theoretical model of electric-mechanical-magnetic multi-physical field modulation of SWR with the interfacial effect and size effect, and simulate the E-field induced SWR varying in the magnonic device structures with typical magnetoelectric interactions; Finally, to in-situ observe the microscopical phenomena of multi-field coupling tuning of SWR properties, enable the voltage controlling transferring information of SWR, and realize the novel prototype magnonic devices with E-field control of spin wave logic states, which are technically compact, ultra-fast and energy efficient. This project integrates the electric-mechanical-magnetic coupling of multiferroic heterostructures in the spintronics, introduces the energy efficient way of E-field controlling spin dynamics, and develops the novel micro-nano magnonic devices, which is important for exploring the X-mechanics application in the physics, materials science and information science.

针对当前磁性存储器件中高能耗和响应慢的问题，以量子化的自旋波作为信息传输载体，应用力学的原理和方法，从新的视角寻求高效激发、传输、调控和探测自旋波的材料体系以及控制手段，设计并开发基于多物理场耦合调控自旋波的新型磁振子原型器件。本项目结合申请人的前期研究基础，探索磁振子器件中激发、传输、探测自旋波信息的最佳磁性材料和微波带结构，设计基于磁电调控机制的低维磁振子器件，建立考虑界面效应、尺度效应和电-力-磁多场耦合的自旋波调控物理模型，原位观察器件结构中多场耦合调制自旋共振的微观现象，实现电场原位控制传输中自旋波信息的动态变化，开发满足现代自旋电子器件微型化、低功耗以及超快响应等需求的自旋波逻辑功能器件。本项目将多铁异质结中的电-力-磁多场耦合与自旋电子学相结合，引入低功耗的电场调控自旋动力学方式，开发新型的微纳磁振子器件，对于推动交叉力学在物理学、材料学以及信息科学中的融合发展有重要作用。

信息传输与调制是支撑现代数字社会发展的核心技术之一，自旋电子学以电子的自旋或磁矩作为信息载体，通过自旋调控来传播信息，其比传统电子器件的功耗更低、尺寸更小，对于开发小型化、低功耗和响应快的新型信息器件有重要研究价值。本项目将低维磁电功能材料的电-力-磁多场耦合特性引入到自旋波器件的设计中，利用交叉力学、物理学、材料学以及信息科学等多学科领域的先进理念，不仅从理论层面上研究了基于应变调制自旋动力学的新现象和新效应，设计了具备逻辑功能实现的自旋波原型器件，而且在实验上优化制备了系列自旋电子敏感材料与垂直磁各向异性结构，实现了应变对自旋共振、自旋翻转等行为的调控作用，为进一步超低功耗和超快处理速度自旋电子学器件的应用提供了理论依据，也为新型自旋波器件设计与自旋波信息传输调制提供了实验指导。具体完成如下工作内容：一、在理论仿真方面，通过构建基于多铁异质结的纳米复合结构，建立以应变为媒介的电-力-磁耦合有限元分析框架，仿真模拟了压电应变对于磁性材料中自旋序参量的调控作用，实现了压电应力调制自旋畴壁的注入以及高速远距离移动、应变驱动斯格明子的人工神经元器件与纳米自旋振荡器、非易失性可逆地翻转辐射状磁涡旋结构的核极性以及无电流辅助地确定性翻转磁化强度等自旋动力学行为。二、在材料制备研究方面，设计并制备了不同结构的具有垂直磁各向异性磁性薄膜，通过2nm的超薄Fe缓冲层实现了具有高垂直磁各向异性的外延Mn3Ge薄膜的生长，并通过VO2的温致相变调控了(Co/Pt)3薄膜的电子自旋共振和自旋翻转行为。三、在原型器件设计与实现方面，通过应变调控自旋波的色散关系，设计了应变诱导的可重构自旋波波导通道，并进而设计应变调控自旋波的Y型移相器，具备干涉相长和相消的逻辑功能，实现对自旋波相位信息的编码；实验验证上，探究软磁铁氧体薄膜对于微带天线中电磁辐射性能的影响，验证了磁性薄膜对于电磁辐射与传输的调制作用。