Transcript Магнитные логические ячейки на основе ферромагнитных

Магнитные логические ячейки
на основе ферромагнитных
наноструктур
Отдел магнитных наноструктур
ИФМ РАН
«Надо заниматься
магнитной логикой…»
А.А. Андронов (младший)
около 2010 г.
План рассказа
• Магнитные логические ячейки
• Основные логические элементы
• Магнитная логика на основе движения
доменных стенок в нанопроволоках
• Логические ячейки, основанные на
эффекте пиннинга доменной стенки
полями рассеяния наночастиц
• Заключение
Логические устройства
• Механические
• Гидравлические
• Пневматические
• Электромагнитные
• Электромеханические
• Электронные
• Магнитные
Магнитные логические элементы
H
Alexandra Imre
D.K.Karunaratne et al.,
JAP, 111, 07A928 (2012)
2006
University of Notre Dame,
Center for Nano Science
and Technology, USA
Argonne National
Laboratory
0
1
Магнитные логические элементы
H
Russel Cowburn
2002
Thin Film Magnetism Group,
Cavendish Laboratory,
University of Cambridge,
United Kingdom
D.A.Allwood et al.,
JAP, 100, 123908 (2006)
0
1
Простейшие элементы
Повторение (ДА)
Вход
Выход
Вход
Выход
Вход
Выход
Вход
Выход
0
0
0
1
1
1
1
0
Выход
Вход
Отрицание (НЕ)
Вход
Выход
(1)
(2)
(1)
(2)
Бинарные элементы
Умножение (И)
Вход 1
Выход
Сложение (ИЛИ)
Вход 1
Выход
Вход 2
Вход 2
Вход 1
Вход 2
Выход
Вход 1
Вход 2
Выход
0
0
0
0
0
0
1
0
0
1
0
1
0
1
0
0
1
1
1
1
1
1
1
1
Бинарные элементы
Исключающее
Вход 1
ИЛИ
Выход
Исключающее
ИЛИ-НЕ
Вход 1
Выход
XOR
Вход 2
Вход 2
Вход 1
Вход 2
Выход
Вход 1
Вход 2
Выход
0
0
0
0
0
1
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
0
1
1
1
Сложение по модулю 2
Бинарные элементы
Исключающее
ИЛИ - НЕ
Вход 1
Логический базис
Выход
Вход 2
Вход 1
Вход 2
И , НЕ
Вход 1
Вход 2
Выход
0
0
1
1
0
0
0
1
0
1
1
1
Вход 1
Вход 2
- 2 элемента
ИЛИ , НЕ - 2 элемента
И – Не
- 1 элемент
ИЛИ – НЕ - 1 элемент
Выход
Магнитная логика на
основе движения
доменных стенок
в ферромагнитных
нанопроволоках
Доменные стенки в
нанопроволоке
Поперечная доменная стенка d < 20 нм
Вихревая доменная стенка d > 20 нм
Управляемое зарождение ДС
H
H
Not - gate
HN > H > Hn
Движение доменных стенок
“NOT”
“AND”
Пересечения и ветвления
Domain wall magnetic logic
Rotating magnetic field
Пиннинг доменной стенки
Логические ячейки
на основе пиннинга
доменной стенки полями
рассеяния наночастиц
Наночастицы
Наши предложения 2008
Наши предложения 2008
Выход
1
2
Управляющие
частицы
Доменная
стенка
Генерация
доменов
Hz
Наши предложения 2008
Min
min
Max
max
Нанопроволоки
The field-driven NW-NP system
Ferromagnetic
nanoparticles
Nucleating part
(DW generation)
H
Domain
wall
Nanowire
V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov
Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012).
The domain wall
in ferromagnetic nanowire
The simulated magnetization distribution in Co60Fe40 nanowire
of 20 × 100 × 3000 nm3.
Micromagnetic simulation
H 0
Initial state
Micromagnetic simulation
H
DW nucleation
Micromagnetic simulation
HN
HN = 300 Oe
DW nucleation
Micromagnetic simulation
HN
Domain wall pinning
Micromagnetic simulation
HexN  H D
Domain wall propagation
Micromagnetic simulation
H ex
Final state
DW pinning near the NPs
Н
DW
Н=0
Н = НD
H = 0.5 HD
ED = 500 eV
The potential energy profiles for different
external magnetic fields.
HD = 470 Oe
DW pinning between NPs
Н
DW
Н=0
ED
Н = НD
H = 0.5 HD
ED = 500 eV
The potential energy profiles for different
external magnetic fields.
HD = 470 Oe
Micromagnetic simulation
H 0
Initial state
Micromagnetic simulation
H
DW nucleation
Micromagnetic simulation
HN
HN = 300 Oe
DW propagation
Micromagnetic simulation
HN
DW pinning between NPs
Micromagnetic simulation
HD  HN
DW depinning
Micromagnetic simulation
HD
Final state
Weak DW pinning
Н
DW
ED
Magnetic moments of NPs are
oriented in the same direction
ED = 60 ev
The potential energy profiles for different
external magnetic fields.
HD < HN = 300 Oe
Weak DW pinning
Н
DW
Magnetic moments of NPs are
oriented in the same direction
ED = 60 ev
The potential energy profiles for different
external magnetic fields.
HD < HN = 300 Oe
Nanowire-nanoparticles system
Co60Fe40 nanowire 20 × 100 × 3000 nm3
and 20 × 100 × 200 nm3 nanoparticles
Remagnetization experiment
V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov
Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012).
Remagnetization experiment
V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov
Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012).
Remagnetization experiment
V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov
Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012).
NW-NP logical cell
"0" "1"
Input
B1
H
B2
Input 1
Output
Input 2
B3
B4
V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva,
E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012).
"0"
"1"
Output
Input 1
Input 2
Output
0
0
0
1
0
1
1
1
0
1
1
0
“Exclusive disjunction”
“XOR”
Different configurations of
NW-NP systems
Domain wall pinning
ENW × 10-10 (erg)
6
H
2
4
3
2
DW
EB
0
1
-2
-4
-6
-400
-200
0
200
xDW (nm)
400
Domain wall pinning
ENW × 10-10 (erg)
H
6
2
3
4
DW
2
0
1
-2
EW
-4
-6
-400
-200
0
xDW (nm)
200
400
NW-NP logical cell
B1
H
B2
Input 1
Input
"0"
"1"
Output
"0"
"1"
Output
Input 2
B4
B3
H > HB
Input 1
Input 2
Output
0
0
0
1
0
0
1
1
0
1
0
1
“Conjunction”
Realizing all-spin–based logic operations
atom by atom
A. Khajetoorians et al., Science, 332, 1062 (2011)
Atomic OR gate
Вход 1
Вход 2
Выход
0
0
0
1
0
1
0
1
1
1
1
1
Заключение
Показана возможность реализации
логических элементов, основанных
на эффекте пиннинга доменной стенки
в нанопроволоке полями рассеяния
ферромагнитных наночастиц
Отдел магнитных
наноструктур
Спасибо за внимание !
Journal of Applied Physics
Вход
Выход
0
0
1
1
Вход
Выход
0
1
1
0
Expert
Reductor
Expert
Reductor
Physical Review
Expert 1
Reductor
Expert 2
Вход 1
Вход 2
Выход
Вход 1
Вход 2
Выход
0
0
0
0
0
0
1
0
1
1
0
0
0
1
1
0
1
0
1
1
1
1
1
1