Стеновой профиль: Профиль для гипсокартона: размеры, виды, цены

для приложений спиновой логики

Топологическое исправление TDW

На рисунке 1 показано схематическое представление топологического манипулирования двумя структурами; Выпрямитель и инвертор. Выпрямитель и инвертор состоят из наклонного прямоугольника, имеющего ориентацию + α относительно горизонтальной нанопроволоки.Основное различие между выпрямителем и инвертором — это угол α. В выпрямителе, независимо от типа входа TDW, результирующий выходной DW всегда имеет краевые дефекты −½ ∼ + ½. Например, независимо от типа доменной стенки «хвост к хвосту» (TTDW), протекающей через выпрямитель, на выходе всегда присутствует TTDW с поперечной составляющей в направлении + y , которая имеет дефекты на краях −½ ∼ + ½. И наоборот, для инвертора выходной TDW всегда имеет противоположные краевые дефекты по сравнению с входным.

Эволюция спинового состояния, полученная с помощью микромагнитного моделирования, когда TTDW управляется через выпрямитель, показана на рис. 2. Из наших моделирования мы отметили, что для выпрямления α должно быть в диапазоне от 10 ° до 15 °. Топологический дефект для TT TDW с поперечной составляющей вдоль направления + y (TTU) равен −½ ∼ + ½, тогда как для TTDW с поперечной составляющей вдоль направления — y (TTD) равен + ½ ∼ −½. Для TTD DW, как показано на рис. 2 (a), DW претерпевает преобразование из TTD в вихревой, а затем в TTU, когда стена движется через структуру.На входе выпрямителя поперечная составляющая TTD DW находится в направлении, противоположном спинам на левом краю скошенного прямоугольника.

Эволюция спинового состояния при прохождении TDW через выпрямитель для (a) TT TDW с DOWN-хиральностью (+ ½ ∼ −½ краевых дефектов), который подвергается контролируемому обращению от TDW к вихревому DW и обратно к TDW с противоположные краевые дефекты, (b) TT TDW с UP-хиральностью (−½ ∼ + ½ краевых дефектов) проходит через структуру без какого-либо топологического исправления.

Пиннинг TDW сильно зависит от формы потенциального барьера (ямы) и меняющегося в поперечном направлении профиля энергии DW. Для фиксированной потенциальной геометрии пиннинг наиболее эффективен, когда компонент с более высокой энергией DW встречается с потенциальным барьером (ямой) ^{26,27,28,29,30} . С краевым дефектом + ½, имеющим более высокую энергетическую составляющую ^31,32 , TTD DW закрепляется на входе выпрямителя. По мере увеличения магнитного поля процесс депиннинга происходит через зарождение вихревой DW внутри структуры.Область, в которой закреплены поперечные спины, приводит к образованию ядра вихря. Хиральность вихря определяется поперечной составляющей TTD DW. Поскольку спины внутри TTD DW указывают в направлении — y -, левая сторона вихревой DW будет следовать этой спиновой структуре. Таким образом, в структуре выпрямителя зарождается вихрь с конфигурацией против часовой стрелки. Превращение TDW в стенку вихря позволяет ему преодолеть потенциальный барьер и перейти в угловой прямоугольник. Ядро вихря перемещается поперек направления приложенного поля к нижнему краю структуры и аннигилирует. Поскольку вихрь по своей природе вращается против часовой стрелки, вращения с правой стороны направлены «вверх» или в направлении + y . DW, выходящая из выпрямителя в трубопровод, тогда представляет собой стенку TTU с поперечным компонентом, направленным вдоль + y . В результате стенка имеет топологический краевой дефект −½ ∼ + ½. Поле, необходимое для данной операции, составляет 320 Э.Когда DW снова входит в канал, поле может быть уменьшено, чтобы обеспечить управляемое движение DW и предотвратить разрушение стены Walker, чтобы сохранить точность DW.

Для доменной стенки TTU переход DW внутри выпрямителя происходит по другому механизму, как показано на рис. 2 (b). Поперечная составляющая ДГ и спины у левого края выпрямителя указывают в одном направлении. Однако компонент с более высокой энергией DW (+ ½ числа витков) находится на нижнем крае нанопроволоки и не сталкивается с каким-либо потенциальным барьером при входе в угловой прямоугольник. Таким образом, нижняя половина (число обмоток кромки + 1/2) DW перемещается в структуру, в то время как верхняя половина DW (число витков кромки −½) прикрепляется к верхнему краю конструкции. Увеличение магнитного поля приводит к тому, что краевой дефект + ½ повторяет контур нижнего края конструкции. Это приводит к тому, что вращения внутри конструкции принимают поперечную конфигурацию в направлении + y . Когда краевой дефект + ½ достигает конца наклонного прямоугольника, DW с такой же входной конфигурацией закрутки выходит в канал.Следовательно, выпрямитель выполняет топологическое исправление с выходом всегда −½ ∼ + ½. Поскольку топологические краевые дефекты согласованы для DW «голова-к-голове» и «хвост-к-хвосту», независимо от поперечного компонента стены, структура позволяет топологически исправлять TDW. Путем зеркального отражения наклонного прямоугольника по длине нанопроволоки, так что спины внутри наклонного прямоугольника влияют на нижний край нанопроволоки, структура может выполнять топологическое исправление с выходным сигналом, всегда равным + ½ ∼ −½. Результаты микромагнитного моделирования выпрямления TT ​​DW с зеркальной прямоугольной структурой показаны на дополнительном рисунке S1.

Экспериментальная проверка выпрямителя

На сегодняшний день не существует традиционного инструмента для прямого определения топологической природы TDW. Прямое измерение внутренней спиновой структуры TDW может быть выполнено только с помощью просвечивающей рентгеновской микроскопии ^31,32 или метода электронной голографии ³³ . Hayashi et al., ^{, 34,} , показали, что можно косвенно сделать вывод о типе TDW с помощью измерения магнитосопротивления. Однако различие в MR-сигнале для разных TDW различить нелегко.

Для экспериментальной проверки нашего выпрямителя мы использовали зависимое от хиральности избирательное движение DW в разветвленной структуре. Phusp et al. ²⁵ продемонстрировали топологическую зависимость для траектории вихревой DW, и недавно мы показали, что тот же принцип применим для TDW, движущегося через Y-образную структуру ³⁵ . Таким образом, мы отмечаем, что для + ½ ∼ −½ TDW, протекающего через структуру ветвления, сохранение топологического дефекта приведет к перемещению TDW вдоль верхнего края структуры Y-образной формы. И наоборот, для числа обмоток −½ ∼ + ½ TDW переместится в нижнюю ветвь Y-образной структуры.

Мы экспериментально проверили этот принцип, используя те же размеры трубопровода из нанопроволоки, что и структура выпрямителя. Топологический детектор показан на изображении, полученном с помощью сканирующего электронного микроскопа, рис.3 (а). Подушечка для зародышеобразования с поперечной нанопроволокой, действующая как селектор, используется для обеспечения надлежащего контроля над типом TDW, вводимого в канал. Селектор устанавливает поперечный компонент DW, выходящего из площадки зародышеобразования. Детектор Y-образной формы состоит из двух проводов, расположенных под углом ~ ± 70 ° к горизонтали. Устройство состоит из тонкой пленки Ta (5 нм) / Ni ₈₀ Fe ₂₀ (10 нм) / Ta (5 нм), выращенной с использованием магнетронного распыления, причем нижний и верхний слои Ta являются буферным и закрывающим слоями соответственно. .Канал из нанопроволоки имеет ширину w 120 нм, чтобы гарантировать стабильную конфигурацию TDW. Детектор и селектор DW имеют ширину провода 120 нм. Длина канала нанопроволоки от селектора до детектора поддерживается на уровне 200 нм.

Изображение тонкой пленки с помощью сканирующей электронной микроскопии, Ta (5 нм) / Ni ₈₀ Fe ₂₀ (10 нм) / Ta (5 нм): (a) Детектор доменной стенки с поперечной нанопроволокой действует как селектор хиральности и площадка для зародышеобразования; Изображения с магнитно-силовой микроскопией начальной и окончательной конфигурации (после приложения поля 100 Э вдоль направления — x ) топологического детектора, (b) с начальной конфигурацией после насыщения вдоль направления + y и + x соответственно.Окончательная конфигурация показывает, что нижняя ветвь детектора переключается, о чем свидетельствует яркий контраст. Это происходит из-за формирования TTU TDW с числом витков −½ ∼ + ½, протекающего в трубопроводе, (c) с начальным насыщением вдоль направления — y и + x соответственно. Окончательная конфигурация показывает, что верхняя ветвь детектора переключается, о чем свидетельствует яркий контраст. Это происходит из-за формирования TTD TDW с числом витков + ½ ∼ −½, протекающего в трубопроводе.

Топологический детектор был сначала протестирован, чтобы подтвердить, что различная конфигурация TDW может быть надежно обнаружена. Чтобы проверить детектор, мы провели систематические измерения с помощью магнитно-силовой микроскопии (MFM). Чтобы создать DW с определенным топологическим зарядом [+ ½ ∼ −½ или −½ ∼ + ½], селектор хиральности сначала намагничивается либо в направлении + (-) y , применяя большое поле насыщения (500 Э). Затем структура и зародышевая площадка насыщаются в направлении — (+) x путем приложения поля (500 Э).Начальная конфигурация детектора после приложения поля насыщения вдоль направления + y и + x показана на рис. 3 (b).

Селектор намагничен по ориентации + y , что хорошо видно из темного (северный полюс) и яркого (южный полюс) контраста. Два конца Y-образного детектора отображают темный контраст, указывая на то, что устройство насыщено в направлении + x . Из нашего эксперимента поля в 50 Э достаточно, чтобы зародить ДГ и переместить ее в бифуркацию Y-образного детектора.Перемещение ДГ от бифуркации к концу Y-образного детектора достигается приложением линейного поля 100 Э. Полученная конфигурация после приложения поля 100 Э вдоль направления — x показана на рис. 3 (b). Мы заметили, что контраст в нижней ветви детектора переключается на белый, что означает, что направление намагничивания ветви изменилось, рис. 3 (b). Это связано с тем, что TDW с конфигурацией TTU (−½ ∼ + ½) вводится в канал, и взаимодействие DW с переходом Y-образного детектора приводит к тому, что TDW течет в нижнюю ветвь детектор.

Изображение MFM, когда устройство насыщено в направлениях — y и + x , показано на рисунке 3 (c). Как видно, селектор установлен в направлении — y . После наложения поля 100 Э вдоль — х верхняя ветвь детектора переключается. Это хорошо видно из рис. 3 (c). Это означает, что TTD (+ ½ ∼ −½) TDW перемещается в верхнюю ветвь детектора. Наши результаты MFM показывают, что независимо от типа TDW (HH или TT) DW с числом витков + ½ ∼ −½ всегда будет течь в верхней ветви, а DW с −½ ∼ + ½ будет течь в нижней ветви.

Чтобы проверить структуру выпрямителя, наклонный прямоугольник формируется вдоль канала нанопроволоки, как показано на рис. 4 (а). Выпрямитель имеет ширину ~ 240 нм (~ 2 × w ) и длину ~ 480 нм (~ 4 × w ), наклоненную к горизонтальной оси под углом ~ + 11 ° для выпрямителя (рис. 4 (а)). На рисунке 4 (b) мы представляем начальную конфигурацию выпрямителя. Селектор установлен в направлении + y , характеризующемся яркими и темными контрастами, а вращения вдоль канала выровнены в направлении + x .Выпрямитель отличается белым и темным контрастом на левом и правом краях из-за накопления магнитных зарядов на краю. Увеличение магнитного поля в направлении — x приводит к инжекции TTU DW (−½ ∼ + ½ числа витков) в кабелепровод. Полученное изображение MFM после приложения поля 150 Э вдоль направления — x показано на рис. 4 (b). Это приводит к тому, что нижняя ветвь направления переключения детектора, как видно из изображения MFM на рис.4 (б). Это означает, что на выходе выпрямителя число обмоток равно −½ ∼ + ½. Мы делаем вывод, что TTU DW не подвергается топологическому исправлению при прохождении через выпрямитель.

(a) Изображение, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, геометрической модуляции выпрямителя, расположенной вдоль канала нанопроволоки; Магнитно-силовые микроскопические изображения топологического выпрямителя с выпрямителем; (b) При остаточной намагниченности, после насыщения в направлении + y, и + x соответственно и, после приложения поля 150 Э вдоль направления — x .Нижняя ветвь детектора переключается, о чем свидетельствует яркий контраст. (c) При остаточной намагниченности, после насыщения вдоль направления — y и + x соответственно и после приложения поля 150 Э вдоль направления — x . Нижняя ветвь детектора переключается, о чем свидетельствует яркий контраст.

Конфигурация MFM, когда селектор и трубопровод намагничены в направлениях — y и + x соответственно, показана на рисунке 4 (c).Как и ожидалось, селектор имеет яркий и темный контраст по верхнему и нижнему краям. После приложения поля 150 Э вдоль направления — x контраст нижней ветви детектора меняется на яркий, как можно видеть на рис. 4 (c). Это указывает на то, что ДГ с числом намоток −½ ∼ + ½ достигла детектора. Поскольку зародышевый DW имеет топологический краевой дефект + ½ ∼ −½, это означает, что структура A эффективно исправляет вывод любого входящего DW в конфигурацию −½ ∼ + ½.MFM-изображения, полученные для массива выпрямительных структур, представлены в дополнительной информации S2.

Топологический инвертор TDW

Изменяя значение α, можно создать угловую прямоугольную структуру для выполнения топологической инверсии краевых дефектов. Это связано с тем, что правый верхний край конструкции влияет на движение ДВ. Наше моделирование показывает, что для инверсии угол α должен находиться в диапазоне от 3 ° до 8 °. Микромагнитное моделирование с α, установленным на 4 °, показано на рис.5. TTD DW (+ ½ ∼ −½) претерпевает такое же спиновое преобразование, как описано ранее для выпрямительной конструкции. Выходная DW из угловой конструкции представляет собой TTU DW с краевыми дефектами −½ ∼ + ½.

Эволюция спинового состояния при прохождении TDW через выпрямитель для (a) TT TDW с DOWN хиральностью (+ ½ ∼ −½ краевых дефектов), который подвергается контролируемому обращению от TDW к вихревому DW и обратно к TDW с противоположные краевые дефекты, (b) TT TDW с UP-хиральностью (−½ ∼ + ½ краевых дефектов) проходит через структуру через контролируемое обращение к TT TDW с DOWN-хиральностью (+ ½ ∼ −½ краевых дефектов).

И наоборот, для ДГ TTU, протекающей через структуру, ДВ TTD выходит в канал для нанопроволоки. Как обсуждалось ранее, поскольку компонент с более высокой энергией TTU DW (+ 1/2 числа витков) находится на нижнем крае нанопроволоки, нижняя половина DW перемещается в структуру. Поскольку вращения вдоль верхнего правого края повторяют контур угловой структуры, краевой дефект −½, который отходит от левого края, не может следовать за краевым дефектом + ½. В отличие от выпрямителя, краевой дефект + ½ трансформируется в ядро ​​вихря на правом нижнем крае скошенного прямоугольника.Ядро вихря принимает конфигурацию по часовой стрелке, так как поперечная компонента спинов была направлена ​​в направлении + y . Ядро вихря движется к верхнему правому краю структуры, вводя TDW в канал нанопроволоки в процессе. TDW, выходящий из структуры, имеет поперечную составляющую в направлении — y , то есть TTD DW с краевыми дефектами + ½ ∼ −½. Таким образом, эта структура выполняет топологическую инверсию TDW. Аналогично для HH DW, если на входе HHU (HHD) DW, то на выходе всегда будет HHD (HHU) DW.

Экспериментальная проверка инвертора

СЭМ-изображение на рис. 6 (а) показывает угловую прямоугольную структуру с ориентацией ∼ + 4 ° по отношению к вертикальной оси. Начальная конфигурация инвертора с селектором, установленным в направлении — y , и спинами в трубопроводе, выровненными по направлению + x , показана на рис. 6 (b) I. Увеличение магнитного поля в направлении — x приводит к инжекции TTD DW в канал.Результирующее изображение MFM после приложения поля 150 Э вдоль направления — x показано на рис. 6 (b) I. Это приводит к верхней ветви направления переключения детектора, как видно из изображения MFM окончательной конфигурации Рис. 6 (b) I. Это означает, что DW подвергся топологической инверсии, и на выходе получается DW TTU.

(a) Изображение геометрической модуляции инвертора, полученное с помощью сканирующей электронной микроскопии, расположенное вдоль канала нанопроволоки; Магнитно-силовые микроскопические изображения топологического инвертора с начальной и конечной конфигурациями для; (b) -I TTU DW, (b) -II TTD DW и (c) -I HHU DW и (c) -II HHD DW.

Конфигурация MFM, когда селектор и трубопровод намагничены в направлениях + y и + x соответственно, показана на рисунке 6 (b) II. После приложения поля 150 Э вдоль направления — x контраст нижней ветви детектора меняется на яркий, как это видно из окончательной конфигурации на рис. 6 (b) II. Как и ожидалось, выходной DW в кабелепровод представляет собой TTD DW.

На рисунке 6 (c) представлена ​​работа инвертора для HH TDW.Начальная конфигурация инвертора с селектором, установленным в направлении + y , и спинами в трубопроводе, выровненными по направлению — x , показана на рис. 6 (c) I. Увеличение поля в направлении + x вводит HHU TDW с краевыми дефектами + ½ ∼ −½ в канал. Окончательная конфигурация MFM на Рисунке 6 (c) I показывает, что нижняя ветвь детектора переключилась. Как обсуждалось ранее, TDW с + ½ ∼ −½ будет распространяться в верхней ветви Y-образного детектора.Таким образом, для переключения нижней ветви TDW с краевым дефектом −½ ∼ + ½ должен переместиться в бифуркацию. Это подтверждает, что инвертор переворачивает краевые дефекты входного TDW для вывода HHD TDW.