МАЖОРИТАРНЫЙ ЭЛЕМЕНТ НА СПИНОВЫХ ВОЛНАХ
MAJORITY ELEMENT ON SPIN WAVES

Изобретение относится к области автоматики и вычислительной техники и может быть использовано в качестве мажоритарного элемента при построении высоконадежных помехоустойчивых телекоммуникационных систем.
Известно, что мажоритарный элемент (мажоритарный клапан, переключатель по большинству, majority gate) - это логический элемент из класса пороговых, с четным или нечетным числом входов и одним выходным сигналом, значение которого совпадает со значением на большинстве входов. (При четном числе входов большинством считается n/2+l, соответственно, n/2 к большинству не относится). Таким образом, элемент работает по «принципу большинства»: если на большинстве входов будет сигнал «1», то и на выходе схемы установится сигнал «1»; и наоборот, если на большинстве входов будет сигнал «0», то и на выходе установится «0».
Преимуществом использования спиновых волн для разработки логических элементов по сравнению с технологией комплементарных структур металл-оксид-полупроводник (КМОП структуры) является отсутствие необходимости осуществлять транспорт электронов, накладывающий на структуры тепловые ограничения при миниатюризации устройств. Логические ноль и единица могут кодироваться фазой, амплитудой или частотой спиновых волн. Например, если на двух входах из трех фаза спиновых волн кодирует ноль, а одном входе - единицу, то фаза сигнала на приемнике спиновых волн будет соответствовать нулю, то есть фазе большинства волн на входах устройства.
Описаны различные варианты логических устройств, в которых приемник спиновых волн располагается в области интерференции распространяющихся спиновых волн. Так, известно сверхвысокоскоростное устройство обработки информации на спиновых волнах (US 8164148 (В2), KIM SANG-KOOG et al., 24.04.2012), в котором для реализации логических операций, предлагается использовать в качестве отдельного элемента устройства генератор спиновых волн с последующим использованием эффектов их интерференции и дифракции, а также распространения, отражения и преломления. Предложены варианты реализации ряда логических операций («и», «или», «не-и», «не или», «исключающее или»), однако мажоритарный элемент не описан.
Известно также спин-волновое устройство (US 9602103 (В2), HITACHI LTD, 21.03.2017), в котором локальное изменение намагниченности ферромагнитного материала волноводов с помощью электрического сигнала вызывало распространение спиновых волн, результат интерференции которых детектировался с помощью трехслойной структуры ферромагнитный металл -диэлектрик - ферромагнитный металл. Устройство применимо для реализации логических операций «или», «не-и», «не или», но использование его в качестве мажоритарного элемента не предусмотрено.
Предложен подход к разработке архитектуры логических устройств волн (US 7528456 (B1), UNIV CALIFORNIA., 05.05.2009), предполагающий один ферромагнитный волновод для распространения нескольких спиновых волн, каждая из которых возбуждается отдельным преобразователем. В области их интерференции располагается приемный преобразователь, сигнал с которого зависит от параметров возбуждаемых спиновых волн. Таким образом могут быть реализованы не только логические операции «и», «или», «не-и», «не или», «исключающее или», но и мажоритарный элемент.
Описано мажоритарное устройство в виде скрещенных под прямым углом волноводов (US 10164077 (В2), IMEC VZW, UNIV LEUVEN KATH, 25.12.2018), где во входных волноводах цифровым электрическим сигналом возбуждались распространяющиеся доменные стенки, направление намагничивания которых («вверх» или «вниз») соответствовало логическим нулю и единице. Результат взаимодействия распространяющихся доменных стенок в области пересечения волноводов преобразуется в электрический сигнал с помощью туннельного магниторезистивного эффекта.
Наиболее близким к патентуемому является мажоритарное устройство (US10439616 (В2), IMEC VZW, UNIV LEUVEN KATH, 08.10.2019 - прототип) на основе интерференции спиновых волн, содержащее нечетное количество источников спиновых волн и, по меньшей мере, один приемник спиновых волн, конструкция которого предполагает размещение источников спиновых волн на отдельных волноводах, а приемник - в месте их соединения в один волновод, либо размещение как источников, так и приемника на одном волноводе. Кодирование логических ноля или единицы осуществляется посредством изменения фазы сигнала на входных преобразователях.
Вышеуказанные устройства обладают общим недостатком - их конструкция предполагает использование волноводов спиновых волн конечной ширины. По этой причине, необходимое для миниатюризации устройств уменьшение ширины волноводов приводит к ряду проблем, среди которых в качестве основных отметим следующие. Во-первых, это дополнительные технологические операции. Во-вторых, уменьшение ширины волноводов может приводить к неоднородности внутреннего магнитного поля в волноводах, что в свою очередь, приводит к трансформации спектра спиновых волн и дополнительным потерям на распространение. Кроме того, конечная ширина волновода приводит к квантованию спектра и многомодовому распространению спиновых волн, вследствие чего картина интерференции спиновых волн на выходном преобразователе может заметно меняться.
Настоящее изобретение направлено на усовершенствование мажоритарного элемента, работа которого основана на использовании эффекта интерференции спиновых волн.
Патентуемый мажоритарный элемент на спиновых волнах содержит структуру, выполненную в виде пластины из диэлектрика, с нанесенным на одну сторону слоем магнитоактивной среды, на котором сформированы входные и выходной преобразователи спиновых волн, источник постоянного магнитного поля, размещенный в зоне нахождения структуры.
Отличие состоит в следующем. Входные преобразователи спиновых волн размещены в вершинах воображаемого прямоугольника, образованного на поверхности слоя магнитоактивной среды, выходной преобразователь спиновых волн расположен в месте пересечения диагоналей указанного прямоугольника, при этом направление вектора Н источника магнитного поля совпадает с длиной указанного прямоугольника, а входные преобразователи спиновых волн имеют ориентацию относительно направления вектора Н источника магнитного поля, выбранную из условия возбуждения ограниченных по ширине пучков спиновых волн.
Мажоритарный элемент может характеризоваться тем, что три входных преобразователя спиновых волн выбраны из условия возбуждения ограниченных по ширине пучков спиновых волн, а четвертый входной преобразователь предназначен для подачи опорного сигнала постоянной фазы.
Мажоритарный элемент может характеризоваться и тем, что магнитоактивная среда представляет собой железоиттриевый гранат, также тем, что входные преобразователя спиновых волн выполнены в виде фокусирующих преобразователей.
4
2
Мажоритарный элемент может характеризоваться, кроме того, тем, что выходной преобразователь спиновых волн выполнен в виде слоя полупроводникового материала с подвижностью носителей заряда не менее 10 см/(В⋅с), предпочтительно антимонида индия, а также тем, что выходной преобразователь выполнен в виде слоя металла со спин-орбитальным взаимодействием, предпочтительно платины.
Технический результат изобретения - возможность существенной миниатюризации мажоритарного элемента без усложнения технологии его изготовления.
Патентуемый мажоритарный элемент содержит пластину из диэлектрика с нанесенной на одну сторону пленкой железоиттриевого граната (ЖИГ), на которой размещены микрополосковые преобразователи для возбуждения спиновых волн, которые могут быть прямолинейными с конечной апертурой или криволинейными фокусирующими (см. Дудко Г.М. и др. Расчет фокусирующих преобразователей спиновых волн методом микромагнитного моделирования // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2018. Т. 18, вып. 2. С.92-102. DOI: 10.18500/1817-3020-2018-18-2-92-102).
Использование фокусирующих или прямолинейных преобразователей, ориентированных необходимым образом относительно направления Н подмагничивающего поля, создаваемого постоянным магнитом, позволяет формировать ограниченные по ширине пучки спиновых волн, распространяющиеся в заданном направлении без изготовления на пленке ЖИГ отдельных волноводов. В зоне интерференции сформированных пучков спиновых волн располагается приемный преобразователь.
Преимущество предлагаемого устройства состоит в том, что из пленки ЖИГ не требуется формирование отдельных входных и выходного волноводов для распространения спиновых волн.
Существо изобретения поясняется на фигурах, где на:
фиг. 1 показана конструкция устройства;
фиг. 2, 3 - скриншоты результатов микромагнитного моделирования;
фиг. 4, 5 - результаты расчета временной зависимости сигнала с выходного преобразователя для разных комбинаций входного сигнала.
Конструкция мажоритарного элемента на спиновых волнах показана на фиг. 1. Позициями обозначены: 1 - пластина из диэлектрика; 2 - слой магнитоактивной среды; 3, 4, 5, 6 - входные преобразователи спиновых волн; 7 - выходной преобразователь спиновых волн; 8 - постоянный магнит; 9 - направление магнитного поля; 10, 11, 12, 13 - волновые пучки спиновых волн.
На поверхности слоя 2 магнитоактивной среды - пленки ЖИГ в вершинах воображаемого прямоугольника (показан пунктиром на фиг. 1), стороны которого (а, b) ориентированы параллельно и перпендикулярно направлению касательного к пленке магнитного поля Н, размещаются входные преобразователи 3, 4, 5, 6 спиновых волн длиной 1, меньшей минимального размера стороны прямоугольника (1<а,b). Величина поля Н подбирается исходя из частоты f возбуждения спиновых волн. Входные преобразователи 3, 4, 5, 6 ориентируются под углом ±ϕ (см. фиг. 1) по отношению к направлению поля Н. При этом значения угла ϕ выбираются такими, чтобы обеспечить минимальную угловую ширину волновых пучков спиновых волн, распространяющихся вдоль диагоналей прямоугольника. Тем самым считается, что групповая скорость спиновых волн направлена по отношению к магнитному полю Н под углами ±θ=arctg(b/a). Процедура поиска значений угла ϕ, отвечающих таким требованиям, хорошо известна и приводится, например, в работах: Локк Э.Г. Угловая ширина волнового пучка обратной спиновой волны, возбуждаемой линейным преобразователем в ферритовой пластине. Радиотехника и электроника, 2015, т. 60, №1, с. 102-106; Annenkov A Yu, Gems S V, Lock E H Superdirectional beam of surface spin wave. EPL 123 44003 (2018); doi: 10.1209/0295-5075/123/440031,2.
В центре воображаемого прямоугольника (размерами a×b) размещен выходной преобразователь 7 апертурой w, который ориентирован вдоль одной из сторон прямоугольника (на фиг. 1-3 показан случай ориентации выходного преобразователя 7 вдоль стороны b). При возбуждении спиновых волн входными преобразователями 3, 5, 6 с выходного преобразователя 7 снимается сигнал, фаза которого определяется фазой большинства входных сигналов на преобразователях 3, 5, 6. В том случае, когда преобразователь 4 возбуждает опорный сигнал, о фазе большинства входных сигналов можно судить по превышению амплитудой сигнала с выходного преобразователя 7 некоторой пороговой величины, задаваемой опорным сигналом.
Скриншоты результатов микромагнитного моделирования распространения спиновых волн в предлагаемом мажоритарном элементе при подаче входного сигнала на преобразователи 3, 5, 6 показаны на фиг. 2, 3. На фиг. 2 приведены интенсивности волновых полей пучков 10, 12, 13 спиновых волн в структуре (более яркий тон соответствует более высокой мощности волны). На фиг. 3 приведено распределение компоненты СВЧ намагниченности нормальной к поверхности слоя 2 пленки ЖИГ.
Результаты расчета временной зависимости сигнала с выходного преобразователя 7, пропорционального величине m z-компоненты СВЧ намагниченности, показаны на фиг. 4, 5. На вставке фиг. 4 представлены комбинации фаз сигналов на трех входных преобразователях 3, 5, 6, где равная нулю фаза соответствует логическому нулю, а фаза, равная π - логической единице.
На вставке фиг. 5 представлены комбинации фаз сигналов на четырех входных преобразователях, где равная нулю фаза на преобразователях 3, 5, 6 соответствует логическому нулю, а фаза, равная π: - логической единице. Преобразователь 4 создает «опорный» пучок спиновых волн, фаза которого всегда постоянна и равна нулю или π. Для случая, показанного на фиг. 5, выбран случай, когда фаза опорного сигнала равна нулю, а амплитуда в несколько раз больше, чем на любом из трех оставшихся преобразователей.
Результаты микромагнитного моделирования работы устройства получены для следующих параметров. Пленка ЖИГ толщиной s=3,9 мкм, намагниченностью 1750 Гс и шириной линии ферромагнитного резонанса 0,5 Э. Указанные параметры являются типичными для пленок ЖИГ, выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках галлий-гадолиниевого граната с кристаллографической ориентацией (111). Плоскостные размеры пленки составляют 1500×1500 мкм. Выбранные размеры пленки примерно в 20-100 раз меньше, чем размеры экспериментального исследованного мажоритарного элемента на основе микроволноводов конечной ширины, описанного ранее в работе: Т. Fischer, et al.,. Experimental prototype of a spin-wave majority gate. Appl. Phys. Lett. 110, 152401 (2017).
По центру пленки размещен воображаемый прямоугольник с размерами сторон а=376 мкм и b=337 мкм, ориентированных, соответственно, параллельно и перпендикулярно направлению Н подмагничивающего поля 9 величиной Н=1,5 кЭ. Рассмотрен случай, когда возбуждение спиновых волн на частоте f=5,6 ГГц осуществляется входными преобразователями 3, 5, 6 спиновых волн длиной 80 мкм и шириной 20 мкм, расположенными в вершинах прямоугольника так, что центры преобразователей совпадают с вершинами прямоугольника. Для того чтобы при выбранных значениях f, Н обеспечить распространение волновых пучков вдоль диагоналей выбранного прямоугольника, входные антенны ориентированы под углами ϕ=+/-55° по отношению к направлению Н магнитного поля. При этом волновые пучки 10, 12, 13 пересекаются в области центра прямоугольника, где располагается выходной преобразователь 7 длиной 40 мкм, шириной 4 мкм, который может быть ориентирован параллельно или перпендикулярно направлению поля подмагничивания 9.
На фигурах 2, 3 приведены результаты микромагнитного моделирования распространения спиновых волн в предлагаемом мажоритарном элементе при подаче входного сигнала на преобразователи 3, 5, 6. Скриншоты получены с помощью программы OOMMF (Donahue М. and Porter D. Object Oriented Micro Magnetic Framework (OOMMF). Interagency Report NISTIR 6376, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, Sept. 1999; 897 p. www. math.nist.gov/oommf).
На фиг. 2 приведены интенсивности волновых полей пучков спиновых волн в структуре. Более яркий тон отвечает более высокой мощности волны. На фиг. 3 приведено распределение нормальной к поверхности пленки компоненты СВЧ намагниченности в момент времени t=81 нс после начала возбуждения спиновых волн преобразователями 3, 5, 6. Цвета отражают, соответственно, максимумы и минимумы величины z-компоненты СВЧ намагниченности, при этом яркость изображения отражает интенсивность сигнала. Видно, что входные преобразователи 3, 5, 6 возбуждают ограниченные по ширине пучки спиновых волн 10, 12, 13, пересекающиеся в месте расположения выходного преобразователя 7.
Результаты расчета временной зависимости сигнала с выходного преобразователя 7, пропорционального величине z-компоненты СВЧ намагниченности т, представлены на фиг. 4.
На вставке показаны комбинации начальных фаз сигналов на трех входных преобразователях 3, 5, 6, где равная нулю фаза соответствует логическому нулю, а фаза, равная π - логической единице. Видно, что фаза выходного сигнала непрерывно изменяется, однако при выборе момента ее измерения, например, при t=3…7 (t=13…17), при логическом нуле на двух любых входах из трех фаза выходного сигнала равна 0, а в случае логической единицы при фазе, равной к на двух любых входах из трех, фаза выходного сигнала равна π. Таким образом, фаза выходного сигнала позволяет судить о фазе большинства сигналов на входных преобразователях.
Добавление четвертого («опорного») канала с постоянной фазой (например, «0») на преобразователе 4 и уровнем сигнала, в несколько раз превышающим уровни сигналов на остальных входах, позволяет в качестве индикатора состояния фазы на большинстве из трех остальных входов использовать уровень выходного сигнала.
На фиг. 5 видно, что при логическом нуле на двух любых входах из трех, уровень выходного сигнала превышает пороговую величину А* (отмечена пунктирной линией), определяемую уровнем опорного сигнала, а в случае логической единицы при фазе на двух любых входах из трех уровень выходного сигнала меньше величины А*. Следовательно, измеренный уровень выходного сигнала позволяет судить о начальной фазе большинства сигналов на входных преобразователях.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о достижении технического результата изобретения - возможности функционирования логического устройства мажоритарный элемент, использующего эффект интерференции спиновых волн, конструкция которого не требует изготовления отдельных волноводов для распространения входных и выходного сигналов. Формирование ограниченных по ширине пучков спиновых волн, распространяющихся в сплошной пленке ЖИГ, достигается за счет выбора ориентации входных преобразователей относительно направления Н поля подмагничивания. Предлагаемое изобретение расширяет возможности разработки логических устройств на спиновых волнах, перспективных для помехозащищенной обработки сигналов.