Magnetization Dynamics, Throughput and Energy Dissipation in a Universal Multiferroic Nanomagnetic Logic Gate with Fan-in and Fan-out
通过求解Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程，模拟了具有扇入/扇出结构的多铁性纳米磁性NAND门的开关动力学，并忽略了热涨落效应.栅极和逻辑线用偶极耦合的2相（磁致伸缩/压电）多铁性元件实现，所述多铁性元件用施加到压电层的~50 mV的静电电势进行计时，从而在磁致伸缩层中产生10 MPa应力以用于切换。我们表明，管道位吞吐率为0.5 GHz是可以实现的，适当的磁铁布局和正弦四相时钟。门操作在2 ns内完成，延迟为4 ns。在此吞吐率下，单个门操作的总（内部+外部）能量耗散在门中仅为~ 1000 kT，在包括用于扇入和扇出的两个输入和两个输出线的12磁体阵列中仅为~3000 kT。这使得它的能量效率分别比基于互补金属氧化物半导体晶体管（CMOS）和基于自旋转移转矩驱动的纳米磁体的NAND门高3和5个数量级。最后，我们表明，在外部时钟电路中的耗散总是可以渐近减少到零，使用越来越慢的绝热时钟，如通过设计的RC时间常数是3个数量级小于时钟周期。然而，如果我们想要执行容错经典计算，则设备中的内部耗散必须保持并且不能被消除。关键词：纳米磁性逻辑，多铁性，应变电子学和自旋电子学，朗道-李夫希茨-吉尔伯特方程。
2011-08-29 cond-mat.mes-hall
An Energy-Efficient Bennett Clocking Scheme for 4-State Multiferroic Logic
具有双轴磁晶各向异性的纳米磁体具有四个稳定的磁化方向，可以编码4状态逻辑位（00）、（01）、（11）和（10）。最近，提出了一种由三个这样的纳米磁体通过偶极相互作用而相互作用的四态NOR门。在这里，我们设计了一个班尼特时钟方案，传播4状态逻辑位单向这样的门之间。纳米磁体被认为是由2相应变耦合磁致伸缩/压电多铁性元素，如镍和锆钛酸铅（PZT）。施加在压电层上的200 mV的小电压可以在磁致伸缩层中产生足够的机械应力，以使其磁化旋转远离四个稳定取向之一，并实现贝内特时钟。我们表明，一个特定的正电压和负电压序列将传播4状态逻辑位单向下降的逻辑流的这种多铁性纳米磁体链。
2011-05-09 cond-mat.mes-hall
Area-Delay-Energy Tradeoffs of Strain-Mediated Multiferroic Devices
在超越摩尔定律的时代，多铁性器件为超低能耗计算带来了深远的希望。磁致伸缩形状各向异性的单畴纳米磁体与压电层应变耦合的多铁性复合结构中的磁化可以通过逆磁电效应在其两个稳定状态（由能量势垒分离）之间切换，其电压量很小。通过适当地选择材料，可以在亚纳秒切换延迟中以几十毫伏的电压切换磁化，同时在室温下花费~1阿焦耳的极少量能量。本文通过求解随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程，分析了室温热涨落下多铁性器件的面积-延迟-能量平衡。我们特别关注缩小磁致伸缩纳米磁体的横向面积，这可以增加芯片上的器件密度。我们发现，纳米磁体的垂直厚度可以增加，同时按比例缩小的横向面积，并保持假设的单域限制有效。这具有重要的结果，因为它在一定程度上有助于防止磁致伸缩纳米磁体中的感生应力-各向异性能量的劣化，所述感生应力-各向异性能量与纳米磁体的体积成比例。结果表明，如果减小横向面积，开关延迟增加，而能量耗散降低。讨论了在降低开关延迟的同时仍能降低能量耗散的途径。
2015-06-18 cond-mat.mes-hall
Voltage-Controlled Low-Energy Switching of Nanomagnets through Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Interactions for Magnetoelectric Device Applications
在这封信中，我们认为通过模拟Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）之间的相互作用坐在导电表面上的纳米磁体，和电压控制的门控的低能量开关的纳米磁体可能的存储器和非易失性逻辑应用。对于特异性，我们考虑纳米磁体与垂直各向异性的三维拓扑绝缘体。我们通过耦合到一个或多个纳米磁体的设置方向的RKKY为基础的切换一个纳米磁体的可能性和动力学建模。存储器和非易失性逻辑的应用被认为是，与跟随器，反相器和多数门功能。亚阿焦耳开关能量，远远低于传统的自旋转移矩（STT）为基础的存储器，甚至低于CMOS逻辑出现可能的。开关时间的顺序为几纳秒，相当于时间STT开关，估计铁磁纳米磁体。
2016-03-18 cond-mat.mes-hall
Geometry Effects in Switching of Nanomagnets with Strain: Reliability, Energy Dissipation and Clock Speed in Dipole-Coupled Nanomagnetic Logic
应变时钟偶极耦合纳米磁逻辑是一种节能的布尔逻辑范例，其进展一直受到其高错误率倾向的阻碍。为了缓解这个问题，我们研究了纳米磁体几何形状对错误率的影响，重点是椭圆形和圆柱形几何形状。我们以前曾报道过，在切换过程中的磁化矢量的平面外偏移产生了一个旋进扭矩，这是负责高切换错误概率在椭圆形纳米磁体几何形状。圆柱形磁体中没有这种扭矩预示着较低的错误率，但我们的模拟表明，与椭圆形磁体相比，错误率实际上没有显著改善，而切换变得不可接受地慢。在这里，我们表明，与CMOS器件相比，偶极耦合纳米磁逻辑可以提供相对较高的可靠性（切换错误概率< 10^-8）、中等的时钟速度（~ 100 MHz）和2-3个数量级的节能，前提是磁体的形状各向异性能垒增加到至少~5.5 eV，以允许在相邻纳米磁体之间设计更强的偶极耦合。
2016-07-25 cond-mat.mes-hall
Voltage Induced Switching of Nanomagnets in Topological Insulator Magnetoelectric Devices through Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida Interactions
在这封信中，我们展示了开关的纳米磁体通过RKKY相互作用在拓扑绝缘体为基础的磁电器件。开关速度取决于铁磁体的大小。
2016-02-22 cond-mat.mes-hall
Magneto-elastic switching of magnetostrictive nanomagnets with in-plane shape anisotropy
我们从理论上研究了材料缺陷（材料空隙）对具有面内磁各向异性的椭圆磁致伸缩纳米磁体中磁化的磁弹性切换相关的切换误差的影响。我们发现，在缺陷的存在下，错误的概率显着增加，这表明磁弹性开关是特别容易受到材料缺陷。奇怪的是，有一个临界应力值，在无缺陷和有缺陷的纳米磁体中给出最低的错误概率。有缺陷的纳米磁体的临界应力比无缺陷的高得多。由于在小纳米磁体中比在大纳米磁体（具有相同的热稳定性能量势垒）中更难以产生临界应力，因此在存储器和需要可靠切换的其他应用中缩小磁弹性切换纳米磁体的尺寸将是一个挑战。缺陷的存在可能会进一步加剧这种情况。
2018-09-23 cond-mat.mes-hall
Incoherent magnetization dynamics in strain mediated switching of magnetostrictive nanomagnets
对不同尺寸的磁致伸缩纳米磁体在应力作用下的磁化强度变化进行了微磁学研究。退磁，交换和应力各向异性能量之间的相互作用被用来解释丰富的物理尺寸依赖的磁化强度动态调制应力各向异性在平面纳米磁体诱导。这些研究对纳米磁体中应变介导的超低能磁化变化及其在节能纳米磁计算系统中的应用具有重要意义。
2015-11-14 cond-mat.mes-hall
Energy dissipation and switching delay in spin-transfer torque switching of nanomagnets with low-saturation magnetization in the presence of thermal fluctuations
在形状各向异性单畴纳米磁体的自旋转移矩驱动的磁化切换中减小切换电流和能量耗散的常见策略是采用具有低饱和磁化强度$M_s$和高形状各向异性的磁体。高形状各向异性补偿低$M_s$以保持静态切换错误率恒定。然而，这种策略增加了开关延迟，其在热噪声存在下的方差，以及动态开关错误率。使用随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程与随机转矩仿真热噪声，我们表明，在开关过程中泵入一些多余的自旋极化电流到纳米磁体将保持平均开关延迟和它的方差不变，因为我们减少$M_s$，同时仍然减少能量耗散显着。
2011-12-03 cond-mat.mes-hall
Surface-induced reduction of the switching field in nanomagnets
通过数值求解耦合（阻尼）Landau-Lifshitz方程组，研究了在直流磁场和射频磁场作用下多自旋纳米磁体的磁化反转.它表明，自旋失调引起的表面各向异性有利于开关与直流磁场弱于斯通-Wohlfarth开关场，最佳的强度和频率的射频场。
2022-05-27 cond-mat.mes-hall
Separating read and write units in multiferroic devices
应变介导的多铁性复合材料，即，压电-磁致伸缩异质结构，在超越摩尔定律的时代为节能计算带来了深远的希望。当使用磁性隧道结（MTJ）读取存储在磁致伸缩纳米磁体中的信息位时，材料选择问题突然出现，因为磁致伸缩材料通常不能用作MTJ的自由层。这是一个重要的问题，因为我们需要实现高磁阻的技术应用。我们在这里表明，磁耦合的磁致伸缩纳米磁体和自由层，利用它们之间的磁偶极耦合可以避免这个问题。通过求解随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程的磁化动力学在室温下的热波动的存在下，我们表明，这种设计最终可以导致一个优越的能量延迟产品。
2015-06-18 cond-mat.mes-hall
Nanomagnetic Logic and Magnetization Switching Dynamics in Spin Torque Majority Gates
自旋力矩多数门建模和几个制度的磁化切换（一些导致故障）被发现。确定了STMG和基于STMG的加法器的开关速度和噪声容限，在80 μ A电流下开关时间为3ns，加法器的计算吞吐量与CMOS加法器相当。
2012-12-19 cond-mat.mes-hall
Energy dissipation and switching delay in stress-induced switching of multiferroic devices in the presence of thermal fluctuations
已知利用电压产生的应力切换形状各向异性的2相多铁性纳米磁体的磁化在0 K温度下耗散非常少的能量（对于$\sim$ 0.5 ns的切换时间，$<$ 1 aJ）。在这里，我们通过求解随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程表明，在{\it室温}下，开关可以在小于1 ns的时间内以$\sim$ 100%的概率进行，同时耗散小于2 aJ。这使得基于应力诱导磁反转的纳米磁逻辑和存储器系统成为现存最节能的计算硬件之一。我们还研究了能量耗散，开关延迟，和开关所需的临界应力的依赖关系，在该应力斜升或斜降的速率。
2011-11-26 cond-mat.mes-hall
Experimental demonstration of acoustic wave induced magnetization switching of dipole coupled magnetostrictive nanomagnets for ultralow power computing
我们报告纳米磁开关声波（AW）发射的叉指电极，调制的应力各向异性的椭圆形钴纳米磁致伸缩磁体（340 nm × 270 nm × 12 nm）划定的128度Y切割锂的钛酸盐。偶极耦合的纳米磁体对处于单畴状态，并且最初沿着椭圆的长轴磁化，其中它们的磁化彼此平行。具有较低形状各向异性的纳米磁体的磁化在声波传播时发生逆转。此后，这些纳米磁体的磁化保持在反转状态，并表现出非易失性。这将执行“NOT”操作。声波在偶极耦合纳米磁体中引起的磁状态反转的这种证明实现了“非”门操作，这可能导致开发极其节能的纳米磁性逻辑。此外，由于不存在与纳米磁体的单独接触，制造复杂性大大降低，导致较低的能量耗散
2016-06-03 cond-mat.mes-hall
Dynamic Error in Strain Induced Magnetization Reversal of Nanomagnets due to Incoherent Switching and Formation of Metastable States: A Size-dependent Study
用应变调制磁致伸缩纳米磁体的应力各向异性提供了一种极其节能的磁化反转方法。然而，反转过程通常是不相干的，因此在室温下存在热噪声时容易出错。在纳米磁体的潜在景观中不相干的亚稳态的出现可以进一步加剧误差。随机微磁模拟在室温下被用来理解和计算能量耗散和开关错误的概率，在这个重要的磁化开关方法。我们发现，这些数量有一个有趣的依赖纳米磁体的大小：小的纳米磁体表现更好，由于事实上，他们是更有弹性的形成亚稳态和磁化动力学在他们更连贯。然而，对于固定的应力各向异性能量密度，较小的纳米磁体也将具有较差的抵抗热不稳定性的弹性。因此，应变电子学的挑战是通过开发产生最大磁致伸缩的材料和工艺来最大化应力各向异性能量密度。
2016-07-25 cond-mat.mes-hall
Ultra-low-energy straintronics using multiferroic composites
根据摩尔定律持续改进传统的基于电荷的电子器件的主要障碍是在位切换期间在器件中发生的过度能量耗散。一种非常有前途的解决方案是利用应变介导的多铁性复合材料，即，磁致伸缩纳米磁体应变耦合到压电层，其中磁化可以在亚纳秒延迟内在其两个稳定状态之间切换，同时在室温下消耗~1阿焦耳的极少量能量。除了设计数字存储器和逻辑之外，这些多铁性器件还可以用于模拟信号处理，例如，电压放大器首先，我们简要回顾了最近的进展，多铁性应变电子器件，然后我们在这里表明，在磁致伸缩纳米磁体，它是可能的，以达到所谓的Landauer极限（或极限）的能量耗散量“kT ln（2）”补偿熵损失，从而连接信息和热力学。
2015-06-26 cond-mat.mes-hall
Reply to Comment on "Acoustically assisted spin-transfer-torque switching of nanomagnets: An energy-efficient hybrid writing scheme for non-volatile memory" [Appl. Phys. Lett., 103, 232401 (2013)]
这是对最近在arXiv上发表的关于我们工作的评论的回复。据我们所知，这篇评论没有在其他任何地方发表。我们证明评论中提出的观点是无效的
2015-03-13 cond-mat.mes-hall
Anatomy of nanomagnetic switching at a 3D Topological Insulator PN junction
在狄拉克锥系统内设计的pn结用作基于克莱因隧穿的门可调谐角滤波器。对于具有显著带隙的3D拓扑绝缘体，由于自旋-动量锁定和动量过滤的双重效应，这样的过滤器可以产生电荷到自旋的转换。我们分析了如何在平面拓扑绝缘体PN结（TIPNJ）过滤自旋与纳米磁体相互作用，并认为，本征电荷到自旋转换不转化为外部增益，如果纳米磁体也作为源极接触。无论纳米磁体的位置如何，在TIPNJ上产生的自旋扭矩都受到表面电流密度的限制，而表面电流密度又受到体带隙的限制。{使用量子动力学模型，我们计算了空间变化的自旋势，并量化了电流与外加偏压的局部化}。此外，与一个软纳米磁体的磁动力学模拟，我们表明，PN结可以提供一个关键的纳米磁体的开关概率的栅极可调谐性，在概率神经形态计算的潜在应用。
2021-11-19 cond-mat.mes-hall
Energy-efficient switching of nanomagnets for computing: Straintronics and other methodologies
对日益强大的计算硬件的需求已经产生了许多想法，主要规定用替代“开关”代替传统晶体管，当它们切换时消耗极少量的能量并提供有益于信息处理的附加功能。最近出现的一个有趣的想法是使用具有双稳态（或多稳态）磁化状态的两相（压电/磁致伸缩）多铁性纳米磁体来编码数字信息（比特），并使用小电压（使纳米磁体应变）在这些状态之间切换磁化以进行数字信息处理。开关延迟约为1 ns，开关操作中消耗的能量可以是几个到几十个aJ，这与现代晶体管开关时消耗的能量相当或更小。与晶体管不同，纳米磁体是“非易失性”的，因此纳米磁性处理单元可以在本地存储计算结果而无需刷新周期，从而允许其兼作逻辑和存储器。这些双重角色元件承诺新的，强大的，节能的，高速的计算和信号处理架构（通常是非布尔型的，通常是非冯诺依曼型的），可以更强大，架构上更优越（实现给定功能所需的电路元件更少），有时比传统的基于晶体管的对应物更快。这篇专题评论涵盖了纳米磁体在计算和信息处理方面的重要进展，重点是应变开关多铁性纳米磁体作为非易失性和节能开关-一个被称为“应变电子学”的领域。它还概述了应变电子学的关键挑战。
2018-09-23 cond-mat.mes-hall
Optimal protocol for spin-orbit torque switching of a perpendicular nanomagnet
它表明，通过最优控制理论的能量成本的自旋-轨道转矩诱导反转的纳米磁体与垂直各向异性可以大大减少通过适当的成形的电流脉冲的两个面内组件。的时间依赖性的最佳开关脉冲，最大限度地减少与焦耳加热相关的能量成本的解析推导出所需的反转时间和材料特性。得到了在开关速度和能量效率之间提供折衷的最佳反转时间。一个甜蜜点之间的平衡的类场和阻尼类组件的自旋轨道扭矩被发现，它允许一个特别有效的开关由下啁啾旋转电流脉冲的持续时间不需要被精确地调整。
2022-03-02 cond-mat.mes-hall
From materials to systems: a multiscale analysis of nanomagnetic switching
随着对低功率电子器件的需求不断增加，纳米磁性器件已成为补充当今晶体管技术的强大潜在候选者。各种新颖的开关效应，如自旋力矩和巨自旋霍尔提供了可扩展的方式来操纵纳米尺寸的磁体。然而，切换自旋的低固有能量成本通常受到在创建必要的切换场的开销电路中消耗的能量的影响。缩放带来了额外的问题，例如区分状态的能力（可读性）和在没有自发后翻的情况下写入信息的能力（可靠性）。一个可行的设备必须最终导航一个复杂的多维材料和设计空间定义的体积，能量预算，速度和目标读写保持错误。在本文中，我们回顾了纳米磁性器件面临的主要挑战，并提出了一个多尺度的计算框架，以探索不同层次（材料，器件或电路）的可能创新，以及对其整体能量延迟可靠性权衡的全面理解。
2018-02-01 cond-mat.mes-hall
Controlling degeneracy and magnetization switching in an artificial spin ice system of peanut-shaped nanomagnets
利用大量的数值模拟，我们探讨了由花生状纳米磁体组成的二维人工自旋冰（ASI）系统中的磁化翻转。我们还研究了外加磁场对系统磁态简并度的影响。开关场被发现是一个订单较小的建议ASI系统与花生形纳米磁体相比，传统上使用的高度各向异性的纳米岛，如椭圆形纳米磁体。亚稳态2-in/2-out（II型）磁状态在剩磁处是稳健的。我们还能够通过仔细改变外部磁场来获得对应于II型磁结构的其他可能的微观状态。这意味着人们可以通过施加适当的磁场来控制磁态的简并度。有趣的是，由于去除纳米磁体引起的缺陷，磁荷中性被打破。在这种情况下，该系统似乎也有1-out/3-in或3-out/1-in（III型）自旋状态，让人想起磁自旋。我们相信，我们的研究是非常可取的背景下，开发下一代自旋电子学为基础的设备，为未来的技术。
2022-02-19 cond-mat.mes-hall
Current-induced magnetization control in dipolar-coupled nanomagnet pairs and artificial spin ice
ETH Zurich（苏黎世联邦理工学院）；PSI Center for Neutron and Muon Sciences（保罗谢尔研究所中子与μ子科学中心）；University of Salamanca（萨拉曼卡大学）；Universidad de Salamanca（萨拉曼卡大学）
研究通过电流诱导自旋轨道扭矩控制纳米磁体磁化方向，揭示电流方向与磁体取向关系对切换阈值的影响，为可编程磁控提供新方法。
2026-01-23 cond-mat.mes-hall
Ultra-low-energy Electric field-induced Magnetization Switching in Multiferroic Heterostructures
多铁性材料中电场诱导的磁化翻转具有重要的基础研究和潜在的技术应用价值。本文综述了多铁性异质结构中电场诱导磁化翻转的研究进展。特别地，我们研究了在热涨落存在下，使用随机Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程在形状各向异性单畴纳米磁体中的两个稳定状态之间的磁化切换的动力学。对于应变耦合多铁性复合材料中的磁致伸缩纳米磁体，这种磁化动力学的研究，相反的稳态方案，揭示了有趣的新现象的二元开关机制。虽然传统的方法的二进制开关需要倾斜的电位分布所需的状态切换，我们表明，没有这样的倾斜是必要的成功切换，因为磁化的偏移磁铁的平面可以产生一个内置的不对称切换过程中。我们还研究了具有界面磁电耦合和磁交换耦合的多铁性异质结构中的开关动力学，这种耦合可以使开关的方向与外加电场的极性保持一致。我们计算的性能指标，如开关延迟和能量耗散在切换过程中，同时模拟LLG动态。性能指标结果是非常令人鼓舞的潜在的技术应用。
2017-03-06 cond-mat.mes-hall
Thermally activated switching rate of a nanomagnet in the presence of spin torque
研究了面内磁化系统热激活区自旋力矩开关速率与电流的关系。开关速率的对数非线性地依赖于高电流区域中的电流，I_{c} < I < I_{c} ^{*}，其中I_{c}和I_{c} ^{*}是区分磁化稳定性的临界电流。我们还发现，尝试频率在I_{c}附近有一个最小值，并且在I_{c}处的尝试频率比零电流处的尝试频率小三个数量级，这与先前实验分析中假设的它保持恒定相反。
2013-12-20 cond-mat.mes-hall
Field-tunable stochasticity in the magnetization reversal of a cylindrical nanomagnet
利用时间分辨磁电阻测量技术研究了孤立圆柱形纳米磁体的磁化反转特性。我们发现，反转模式是高度随机的，发生在多模式或单步切换。有趣的是，随机性被发现依赖于驱动磁场的纳米线的长轴，其中主要是多模切换让位于单步切换行为的字段方向是从平行旋转到横向相对于纳米线轴的对齐。
2010-11-05 cond-mat.mes-hall
Error Probability in Magneto-elastic Switching of Non-ideal Nanomagnets with Defects: A Case Study for the Viability of Straintronic Logic and Memory
磁致伸缩纳米磁体的磁弹性（应变）开关是一种非常节能的（磁）二进制开关的开关方法，由于其在超低功耗数字计算硬件中的潜在应用，最近引起了广泛的关注。不幸的是，这种切换方式在室温下也非常容易出错。磁弹性开关的切换错误概率的理论研究预测的概率范围从10E-8 - 10E-3在室温下的理想的，无缺陷的纳米磁体，但与真正的纳米磁体的实验表明，在某些情况下，超过0.1的概率要高得多。导致这种巨大差异的明显破坏因素是缺陷和非理想性。在这里，我们已经从理论上研究了常见的缺陷（在制造过程中发生）的磁弹性开关概率在室温下的热噪声的存在下的效果。令人惊讶的是，我们发现，即使是很小的缺陷增加的数量级的切换错误的概率。通常有一个临界应力，导致最低的错误概率和它的值在缺陷的存在大大增加。所有这些都可能限制或排除磁弹性（应变）二进制开关在布尔逻辑或存储器中的应用，尽管它们具有出色的能量效率，并将它们限制在非布尔（例如神经形态，随机）计算应用中。我们还研究了具有恒定振幅的应力脉冲和正弦时变振幅（例如，由于表面声波）的磁弹性切换之间的差异，并且发现后一种方法更可靠，并且在大多数情况下产生更低的切换错误概率，只要时间变化相当缓慢。
2019-09-10 cond-mat.mes-hall
Effect of resistance feedback on spin torque-induced switching of nanomagnets
在大磁阻器件中，自旋力矩引起的电阻变化可以产生GHz的电流和电压振荡，这可以影响磁化反转。此外，大电阻器件中的电容分流可以进一步减小电流，从而不利地影响自旋扭矩切换。在这里，我们同时解决的Landau-Lifshitz-Gilbert方程的自旋力矩和传输线电报员的方程研究的自旋阀和磁性隧道结的磁化反转的电阻反馈和电容的影响。虽然对于自旋阀，由于自旋力矩的饱和，平行（P）到反平行（AP）的切换受到电阻反馈的不利影响，但在低电阻磁性隧道结中，P-AP切换被增强。我们研究了电阻反馈对MTJ的开关时间的影响，并表明磁化开关只受pF范围内的电容分流的影响。
2009-05-15 cond-mat.mes-hall
Switching dynamics of a magnetostrictive single-domain nanomagnet subjected to stress
通过求解Landau-Lifshitz-Gilbert方程，研究了面内应力作用下单畴磁致伸缩纳米磁体的磁化强度矢量随时间的演化。应力在时间上线性地斜升，并且切换延迟（其是磁化翻转所花费的时间）被计算为斜升速率的函数。对于高水平的应力，延迟表现出对斜坡速率的非单调依赖性，表明存在{ \it最佳}斜坡速率以实现最短延迟。对于恒定的斜坡速率，延迟最初随着应力的增加而减小，但随后饱和，这表明延迟和应力（或切换中耗散的能量）之间的权衡随着应力的增加变得越来越不利。所有这些特征是由于应力引起的磁化矢量的面内和面外动态之间的复杂相互作用。
2011-03-02 cond-mat.mes-hall
Microwave-assisted switching of a nanomagnet: analytical determination of the optimal microwave field
我们分析确定的最佳微波场，允许作为一个macrospin建模的纳米磁体的磁化反转。这是通过最小化总注入能量来实现的。所得结果与最优控制理论数值计算结果吻合较好。对于阻尼参数的典型值，弱微波场足以通过谐振过程诱导切换。最佳场在任何时候都与磁化方向正交，并且在幅度和频率上都进行调制。解释了脉冲形状对外加场和阻尼参数的依赖关系。总的注入能量与初始状态和鞍点之间的能垒成正比，与阻尼参数成正比。这一结果可以作为一种手段，用于探测实际纳米粒子的阻尼参数。
2013-08-30 cond-mat.mes-hall
A Probability-Density Function Approach to Capture the Stochastic Dynamics of the Nanomagnet and Impact on Circuit Performance
在本文中，我们系统地评估的变化，由纵向自旋电流驱动的纳米磁体的反转延迟，而在热噪声的影响下。然后，我们使用的结果来评估的全自旋逻辑（ASL）电路的性能。首先，我们回顾和扩展以前发表的随机纳米磁体开关的分析模型的物理。以前建立的模型的限制进行了定义，它表明，这些模型是有效的纳米磁体反转时间< 200 ps。其次，从以前的模型中获得的见解，使我们能够表示的概率密度函数（PDF）的纳米磁体开关延迟使用的双指数函数的弗雷歇分布。单个纳米磁体的PDF扩展到更复杂的纳米磁体电路配置。结果表明，由纳米磁体排列在并联配置所引起的延迟变化的惩罚是相形见绌的平均延迟增加纳米磁体排列在串联配置。最后，我们展示了器件级性能变化对电路行为的影响，使用ASL逻辑门。虽然本文中提出的分析使用ASL与门作为自旋域中的原型开关电路，但物理概念是通用的，并且可以扩展到任何复杂的基于自旋的电路。
2016-07-11 cond-mat.mes-hall
Dynamical systems study in single-phase multiferroic materials
电场诱导的单相多铁性材料的磁化翻转具有重要的基础研究和潜在的技术应用价值。在这里，我们开发了一个框架来研究这种多铁性材料中的耦合极化和磁化的开关动力学。与极化和磁化之间的耦合项作为由Dzyaloshinsky-Moriya矢量所指示的不变量，动力学系统的研究揭示了开关故障和振荡模式的磁化，如果极化和磁化在切换过程中缓慢松弛。
2015-06-18 cond-mat.mes-hall
Reversible strain-induced magnetization switching in FeGa nanomagnets: Pathway to a rewritable, non-volatile, non-toggle, straintronic memory cell for extremely low energy operation
纳米磁体的磁化在两个稳定或亚稳态之间的可逆应变子切换有望实现超节能的非易失性存储器。在这里，我们报告的应变诱导磁化开关在约300 nm大小的FeGa纳米磁体划定的压电PMN-PT基板。跨衬底施加的一个极性的电压在纳米磁体中产生压缩应变并将其磁化切换到一种状态，而相反极性的电压产生拉伸应变并将磁化切换回原始状态，从而导致“非切换”切换。这两种状态可以对两个二进制位进行编码，并且使用正确的电压极性，可以确定性地写入任一位。
2015-06-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Tailoring magnetization reversal of a single-domain bar nanomagnet via its end geometry
纳米级单畴条形磁体是各种基础和应用介观磁系统的构建块，例如人工自旋冰，磁性形状变形微型机器人以及磁性多数逻辑门。棒状纳米磁体的磁化反转转换场是决定其构成的人工系统的物理性质和功能的关键参数。以前的方法在调整的条形纳米磁体的磁化反转开关场通常依赖于修改其纵横比，如其长度，宽度和/或厚度。在这里，我们表明，一个酒吧纳米磁体的开关场饱和时，延长其长度超过一定的值，防止通过纵横比的磁化反转的进一步定制。我们展示了高度可调的开关场的酒吧nanomagent通过剪裁其端部的几何形状，而不改变其大小。这提供了一种简单的方法来控制单畴条形纳米磁体的磁化反转。这将使新的研究和/或应用，如设计人工自旋冰与额外的调谐参数，工程磁性微型机器人具有更大的灵活性，以及开发磁量子点元胞自动机系统的低功耗计算。
2021-04-08 cond-mat.mes-hall
Electric field-induced magnetization switching in interface-coupled multiferroic heterostructures: A highly-dense, non-volatile, and ultra-low-energy computing paradigm
多铁性磁电器件中的电场感生磁化翻转是超越摩尔定律计算的一个很有前途的研究方向。我们在这里表明，界面耦合的多铁性异质结构，即，与铁磁层耦合的铁电层特别适合于高密度、非易失性和超低能量计算。通过求解随机Landau-Lifshitz-Gilbert磁化动力学方程，证明了在亚纳秒延迟下，只需花费$\sim$ 1阿焦耳的极小能量，就可以实现磁化的容错切换.这种设备可以通过从环境中汲取能量来操作，而不需要外部电池。
2015-04-20 cond-mat.mes-hall
Extreme sub-wavelength magneto-elastic electromagnetic antenna implemented with multiferroic nanomagnets
纳米管的发射/辐射效率通常以A/（λ）^2（A <λ ^2）为界，其中A是发射面积，λ是发射波长的波长。这使得将天线放大到极端的亚波长尺寸具有挑战性。克服这一挑战的一种方法是不在发射波的谐振处致动天线，而是在相同频率下具有短得多的波长的不同激励的谐振处致动天线。我们已经驱动了电磁（EM）天线与表面声波（SAW）的波长是大约五个数量级小于在相同频率的EM波长。这使我们能够实现一个极端的亚波长电磁天线，辐射波长λ = 2 m的电磁波，其发射面积约为10^-8 m2（A/λ ^2 = 2.5 10^-9），其测量的辐射效率超过A/（λ）^2极限10 ^5以上。天线由沉积在压电衬底上的磁致伸缩纳米磁体组成。SAW发射在基板上的交变电压周期性应变的纳米磁体和旋转其磁化由于维拉里效应。振荡磁化以SAW的频率发射EM波。这些极端亚波长天线的辐射效率比A/（lambda）^2极限高几个数量级，可以使通信系统大幅小型化。
2020-06-09 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Hybrid magneto-dynamical modes in a single magnetostrictive nanomagnet on a piezoelectric substrate arising from magneto-elastic modulation of precessional dynamics
磁弹性（或“应变电子”）切换已经成为用于切换磁存储器、逻辑和非布尔电路中的磁致伸缩纳米磁体的磁化的极其节能的机制。在这里，我们研究了超快磁动力学与应变开关在一个单一的准椭圆形磁致伸缩Co纳米磁体沉积在压电PMN-PT基板使用时间分辨磁光克尔效应（TR-MOKE）测量。TR-MOKE中的脉冲激光泵浦束起着双重作用：它引起纳米磁体的磁化关于施加的偏置磁场的进动，并且它还在压电衬底中产生表面声波（SAW），所述表面声波在磁致伸缩纳米磁体中产生周期性应变并调制进动动力学。这种调制引起了有趣的混合磁动力学模式的纳米磁体，具有丰富的自旋波纹理。这些模式的特征频率为5-15 GHz，表明应变可以在远小于1 ns（~100 ps）的时间尺度上影响磁致伸缩纳米磁体中的磁化强度。这可以实现由应变而不是自旋极化电流致动的~10 GHz范围的磁弹性纳米振荡器，以及用于磁振子逻辑电路、全息图等的自旋波的超快磁电生成。
2018-11-27 cond-mat.mes-hall
Comment on some articles regarding magnetization switching and computing using strain-mediated multiferroic composites
此帖子解决了以下文章中提供的不正确信息（关于我的论文）和分析：arXiv：1405.4000/纳米技术26，245202（2015），arXiv：1412.7765/科学报告4，7553（2014），应用物理快报。105，176101（2014），arXiv：1407.2140/Appl. Phys. Lett. 105，072408（2014），arXiv：1402.5356/Appl. Phys. Lett. 104，232403（2014），Appl. Phys. Lett. 103，232401（2013），arXiv：1005.5358/Appl. Phys. Lett. 97、173105（2010年）
2015-07-09 cond-mat.mes-hall
Switching the magnetization of magnetostrictive nanomagnets from single-domain to non-volatile vortex states with a surface acoustic wave
我们报道了用从叉指电极发射的表面声波（SAW）操纵在体128° Y切割的钛酸锂上描绘的椭圆形钴磁致伸缩纳米磁体（标称尺寸~ 340 nm x 270 nm x 12 nm）的磁状态。最初被磁化为具有沿着椭圆的长轴指向的磁化的单畴状态的隔离的纳米磁体被调制这些纳米磁体的应力各向异性的表面声波驱动成涡旋状态。纳米磁体保持在涡旋状态，直到它们被强磁场复位到初始单畴状态，使得涡旋状态非易失性。这一现象是建模和解释使用微磁框架，并可能导致非常节能的磁化切换方法的发展。
2016-01-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Thermally-Assisted Spin-Transfer Torque Magnetization Reversal in Uniaxial Nanomagnets
我们模拟的随机朗道-Lifshitz-吉尔伯特（LLG）的单轴纳米磁体的动态到亚毫秒的时间尺度，使用基于图形处理单元的微磁代码，并确定热辅助反转动力学的自旋电流和单轴各向异性轴之间的几何倾斜的效果。逐渐接近开关时间（$I\rightarrow 0$，$<τ>\propto\exp(-ξ(1-I)^2)$）的渐近行为，表明弹道和热辅助自旋转移反转之间的广泛交叉制度。有趣的是，平均开关时间被证明是几乎独立的自旋电流和磁体的单轴轴之间的角度。这些结果具有重要的意义，建模的自旋转移磁性随机存取存储器位单元的热辅助磁化反转的能量。
2012-05-29 cond-mat.mes-hall
Low power continuous-wave all-optical magnetic switching in ferromagnetic nanoarrays
全光磁开关承诺超快，高分辨率的磁化控制与技术的吸引力，需要没有磁场。现有的全光开关方案是由超快瞬态效应驱动的，通常需要高功耗的飞秒脉冲激光器和复杂的磁性材料。在这里，我们证明了确定性，在简单的铁磁纳米磁体（Ni $_{81}$ Fe $_{19}$，Ni $_{50}$ Fe $_{50}$）与子衍射极限尺寸使用聚焦低功率，线性偏振连续波激光器的全光磁开关。隔离的纳米磁体在一系列尺寸、激光波长和功率之间切换。所有的正方形几何人工自旋冰顶点配置写入，包括基态和能量不利的“类抛物面”的国家在功率低至2.74毫瓦。通常，线性偏振光的磁开关是禁止的;然而，这里的激光光斑具有与纳米磁体相似的尺寸，产生依赖于相对纳米岛光斑位移的吸收分布。我们将所观察到的确定性开关归因于这种不对称吸收的瞬态动力学。没有切换中观察到的Co样品，这表明NiFe合金的多物种的性质起着逆转的作用。这里提出的结果带来了廉价，低功耗的光控设备，对数据存储，神经形态计算和可重构磁振子产生了影响。
2022-04-12 cond-mat.mes-hall
Ultra-low-energy non-volatile straintronic computing using single multiferroic composites
根据摩尔定律，传统的基于电荷的电子器件的持续缩小的主要障碍是在比特切换期间在器件中发生的过度的能量耗散。一个非常有前途的解决方案是利用多铁性异质结构，包括单畴磁致伸缩纳米磁体应变耦合到压电层，其中磁化可以在其两个稳定状态之间切换，同时耗散极少量的能量。然而，到目前为止，还没有提出有效和可行的计算方法。在这里，我们表明，这种单一的多铁性复合材料可以作为通用的逻辑门计算的目的，我们证明通过解决随机Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程的磁化动力学在室温下的热波动的存在。所提出的概念可以极大地简化大规模电路的设计，并预示着我们未来的信息处理系统的高密度但超低能耗的计算模式。
2015-04-13 cond-mat.mes-hall
Material Parameters for Faster Ballistic Switching of an In-plane Magnetized Nanomagnet
本研究通过宏观自旋模拟探索设计材料参数（各向异性常数、饱和磁化强度和Gilbert阻尼常数）以实现面内磁化纳米磁体的高速弹道翻转，发现增大各向异性常数或减小饱和磁化强度可缩短脉冲宽度，且存在最优Gilbert阻尼常数使脉冲宽度最小化。
2023-05-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Folding Catastrophes due to Viscosity in Multiferroic Domains: Implications for Room-Temperature Multiferroic Switching
不寻常的领域与弯曲的墙壁和失败，以满足朗道-Lifshitz-Kittel法律被建模为折叠的灾难（鞍结分叉）。这种对粘性介质中弹道运动的描述是基于Dawber等人的早期工作，应用物理信函82，436（2003）。这表明，铁电薄膜可以表现出褶皱或涡旋图案，但不能两者兼而有之。
2015-10-07 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Experimental Clocking of Nanomagnets with Strain for Ultra Low Power Boolean Logic
布尔逻辑[1，2]的纳米磁性实现已经引起了人们的关注，因为它们的非易失性和前所未有的能源效率的潜力。不幸的是，当纳米磁体用磁场[3]或自旋转移矩[4]切换时发生的大的耗散损耗抑制了所承诺的能量效率。最近，已经有利用自旋霍尔效应切换磁体的实验报告[5-7]，以及单畴磁致伸缩纳米磁体的应变诱导切换的理论建议[8-12]，其可以显著降低耗散损耗。在这里，我们证明，第一次，应变诱导开关的单畴磁致伸缩纳米磁体的横向尺寸~200 nm的压电基板上制作的可以实现纳米磁性布尔非门和单向位信息传播偶极耦合纳米磁体链。这预示着超低能耗逻辑处理器和移动电子产品可能能够仅通过从环境中收集能量而无需电池来运行。
2015-05-21 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Ultra-low-energy straintronics using multiferroic composites
本文综述了利用多铁性复合材料构建纳米电子学的最新进展。通过适当地选择材料，当在多铁性复合材料（即，与磁致伸缩层染色耦合的压电层）上施加几十毫伏的微小电压时，压电层发生应变，并且磁致伸缩层中产生的应力在其两个稳定状态之间切换磁化方向。我们特别审查的磁化和相关的指标，如开关延迟和能量耗散计算的开关动力学。这种电压诱导磁化切换机制在室温下在亚纳秒切换延迟中仅耗散~1阿焦耳的极少量能量。这种非易失性应变电子器件的性能指标使得它们不仅对于构建存储器器件而且对于构建逻辑非常有吸引力，使得它们可以被认为适合于计算目的。因此，多铁性应变电子学具有对超越摩尔定律技术做出贡献的深远前景，即可能替代传统的基于电荷的电子学，传统的基于电荷的电子学特别是由于过度的能量耗散而达到其性能极限。
2015-06-18 cond-mat.mes-hall
Thermally activated magnetization reversal in a FeCoB nanomagnet. High-precision measurement method of coercive field, delta, retention time and size of nucleation domain
利用Néel模型研究了FeCoB纳米磁体的热激活磁化翻转特性。提出了一种高精度测量矫顽场、保留时间、Δ和开关成核畴尺寸的方法，并使用霍尔探针装置进行了实验验证。该方法具有测量精度高、重复性好、可靠性高等特点。研究了热激活磁化开关参数与栅压和偏置电流的关系。
2020-02-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Switching energy-delay of all-spin logic devices
寻找数字电子电路的低功率替代方案的需要已经导致对替代切换方案的兴趣增加，所述替代切换方案如磁量子元胞自动机（MQCA），其在通过其磁场通信的纳米磁体中存储信息。最近的一项被称为全自旋逻辑（ASL）的提议提出了使用自旋电流在纳米磁体之间进行通信，自旋电流在空间上是局部的，并且可以方便地路由。本文的目的是提出一个模型ASL设备，是基于既定的物理和基准对现有的实验数据，并使用它来调查ASL设备的开关能量延迟。
2010-12-03 cond-mat.mes-hall
Metastable state in a shape-anisotropic single-domain nanomagnet subjected to spin-transfer-torque
我们预测在单轴形状各向异性的单畴纳米磁体中存在一个新的亚稳磁化状态。当一个自旋极化电流，传递一个自旋转移力矩，被注入纳米磁体时，它就出现了。它可以捕获磁化矢量，并防止自旋转移矩从沿易磁化轴的一个稳定状态切换到另一个稳定状态。在一定阈值电流以上，不再出现亚稳态。这对于基于自旋转移矩的磁存储器和逻辑系统具有重要的技术后果。
2011-12-03 cond-mat.mes-hall
Switching of Perpendicularly Polarized Nanomagnets with Spin Orbit Torque without an External Magnetic Field by Engineering a Tilted Anisotropy
自旋轨道力矩（SOT）提供了一种有效的方式产生自旋电流，有望显着降低开关纳米磁体所需的电流。然而，由于对称性原因，面内电流生成的SOT不能确定性地切换垂直极化的磁体。另一方面，对于高密度数据存储应用，垂直极化磁体优于面内磁体，因为它们在超尺度尺寸中具有显著更大的热稳定性。在这里，我们表明，它是可能的开关垂直极化的磁铁SOT，而不需要一个外部磁场。这是通过设计磁体中的各向异性来实现的，使得磁易轴稍微倾斜远离膜法线。这种倾斜的各向异性打破了问题的对称性，并使确定性地切换磁体成为可能。使用一个简单的Ta/CoFeB/MgO/Ta异质结，我们证明了可逆的磁化切换通过反转所施加的电流的极性。该演示提出了一种新的方法来控制纳米磁体与自旋轨道扭矩。
2015-06-01 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Resonant Acoustic Wave Assisted Spin-Transfer-Torque Switching of Nanomagnets
我们报告的可能性，实现一个数量级的减少能量耗散需要写位在垂直磁隧道结（p-MTJ）通过模拟的磁化动力学下的组合的共振表面声波（r-SAW）和自旋转移矩（STT）。在考虑热噪声的情况下，采用Landau-Lifshitz-Gilbert方程，在宏观自旋假设下，模拟了系统的磁化动力学.磁致伸缩纳米磁体中的共振磁化动力学建立在SAW应用的几十个循环上，其驱动磁化以从垂直方向偏转约45度的锥形旋进。这降低了切换磁化方向所需的STT电流密度，而不会增加STT应用时间或降低在存在室温热噪声的情况下的切换概率。这可以导致实现自旋转移矩随机存取存储器（STTRAM）的能量有效切换的途径，其横向尺寸可以通过采用共振激发而被积极地缩放，尽管使用具有低磁致伸缩的材料。
2019-07-04 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Angle Selective Piezoelectric Strain Controlled Magnetization Switching in Artificial Spin Ice Based Multiferroic System
提出一种含花生形纳米磁体的ASI多铁体系，通过微磁模拟揭示特定角度压电应变脉冲可实现180°低功耗磁化翻转。
2021-08-22 cond-mat.mes-hall
Deterministic and stochastic aspects of current-induced magnetization reversal in perpendicular nanomagnets
本文通过唯象模型和实验测量，研究垂直纳米磁体中自旋轨道矩诱导翻转的孕育与转变时间，揭示温度介导的相关性，并用对数正态和伽马分布分别描述由单一成核势垒与多个钉扎位点导致的随机变异性。
2024-01-11 cond-mat.mes-hall
Shape Anisotropy Enabled Field Free Switching of Perpendicular Nanomagnets
本研究针对垂直磁化SOT-MRAM翻转需额外外场的问题，通过设计铁磁体为三角形形状产生内场打破翻转对称性，在铂基钴纳米磁体上实现纳秒脉冲驱动的无外场确定性翻转，结果与微磁模拟一致。
2025-04-02 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
