Магнитные логические ячейки на основе ферромагнитных наноструктур Отдел магнитных наноструктур ИФМ РАН

«Надо заниматься магнитной логикой…» А.А. Андронов (младший) около 2010 г. около 2010 г.

План рассказа Магнитные логические ячейкиМагнитные логические ячейки Основные логические элементыОсновные логические элементы Магнитная логика на основе движения доменных стенок в нанопроволокахМагнитная логика на основе движения доменных стенок в нанопроволоках Логические ячейки, основанные на эффекте пиннинга доменной стенки полями рассеяния наночастицЛогические ячейки, основанные на эффекте пиннинга доменной стенки полями рассеяния наночастиц ЗаключениеЗаключение

Логические устройства Механические Гидравлические Пневматические Электромагнитные Электромеханические Электронные Магнитные

Магнитные логические элементы D.K.Karunaratne et al., JAP, 111, 07A928 (2012) 0 1 Alexandra Imre 2006 University of Notre Dame, Center for Nano Science and Technology, USA Argonne National Laboratory H

D.A.Allwood et al., JAP, 100, (2006) 0 1 Магнитные логические элементы Russel Cowburn 2002 Thin Film Magnetism Group, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, United Kingdom H

Простейшие элементы Повторение (ДА) Вход Выход ВходВыход (1) (2) Отрицание (НЕ) Вход Выход ВходВыход (1) (2) Вход Выход

Бинарные элементы Умножение (И) Вход 1 Выход Вход 2 Вход 1Вход 2 Выход Сложение (ИЛИ) Вход 1 Выход Вход 2 Вход 1Вход 2Выход

Исключающее ИЛИ Вход 1 Выход Вход 2 Вход 1Вход 2 Выход Бинарные элементы XOR Исключающее ИЛИ-НЕ Вход 1 Выход Вход 2 Вход 1Вход 2Выход Сложение по модулю 2

Бинарные элементы Вход 1 Выход Вход 2 Вход 1Вход 2 Выход Вход 1 Выход Вход 2 Вход 1 Вход 2 Исключающее ИЛИ - НЕ Логический базис И, НЕ - 2 элемента ИЛИ, НЕ - 2 элемента И – Не - 1 элемент ИЛИ – НЕ - 1 элемент

Магнитная логика на основе движения доменных стенок в ферромагнитных нанопроволоках

Доменные стенки в нанопроволоке Вихревая доменная стенка d > 20 нм Поперечная доменная стенка d < 20 нм

Управляемое зарождение ДС H H

Not - gate H N > H > H n

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

HzHz Выход Генерация доменов Доменная стенка 1 2 Управляющие частицы

Наши предложения 2008 Min Max min max

Нанопроволоки

The field-driven NW-NP system H Nucleating part (DW generation) Ferromagnetic nanoparticles Domain wall V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, (2012). Nanowire

The simulated magnetization distribution in Co 60 Fe 40 nanowire of 20 × 100 × 3000 nm 3. The domain wall in ferromagnetic nanowire

Micromagnetic simulation Initial state

Micromagnetic simulation DW nucleation

Micromagnetic simulation DW nucleation H N = 300 Oe

Domain wall pinning Micromagnetic simulation

Domain wall propagation

Micromagnetic simulation Final state

DW pinning near the NPs DW Н Н = 0 Н = Н D H = 0.5 H D The potential energy profiles for different external magnetic fields. E D = 500 eV H D = 470 Oe

EDED DW Н Н = 0 Н = Н D H = 0.5 H D The potential energy profiles for different external magnetic fields. E D = 500 eV H D = 470 Oe DW pinning between NPs

Initial state Micromagnetic simulation

DW nucleation Micromagnetic simulation

DW propagation Micromagnetic simulation H N = 300 Oe

DW pinning between NPs Micromagnetic simulation

DW depinning Micromagnetic simulation

Final state Micromagnetic simulation

Weak DW pinning DW Н EDED The potential energy profiles for different external magnetic fields. E D = 60 ev H D < H N = 300 Oe Magnetic moments of NPs are oriented in the same direction

DW Н E D = 60 ev H D < H N = 300 Oe The potential energy profiles for different external magnetic fields. Weak DW pinning Magnetic moments of NPs are oriented in the same direction

Nanowire-nanoparticles system Co 60 Fe 40 nanowire 20 × 100 × 3000 nm 3 and 20 × 100 × 200 nm 3 nanoparticles

Remagnetization experiment V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, (2012).

Remagnetization experiment V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, (2012).

Remagnetization experiment V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, (2012).

NW-NP logical cell H Output Input 1 Input 2 B3 B4 B2 B1 "1""0""0" Input "1""1" "0" Output Input 1Input 2Output V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov - Physical Review B, 85, (2012). Exclusive disjunction XOR

Different configurations of NW-NP systems

Domain wall pinning DW H EBEB E NW × (erg) x DW (nm)

Domain wall pinning DW H E NW × (erg) x DW (nm) EWEW 1 2 3

"1" "0""0" Input "1""1" "0" Output Input 1Input 2Output Conjunction NW-NP logical cell H Output Input 1 Input 2 B3 B4 B2 B1 H > H B

Realizing all-spin–based logic operations atom by atom A. Khajetoorians et al., Science, 332, 1062 (2011)

Atomic OR gate Вход 1Вход 2Выход

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 ВходВыход Expert Reductor Expert Reductor ВходВыход 01 10

Physical Review Expert 1 Reductor Expert 2 Вход 1Вход 2 Выход Вход 1Вход 2Выход