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
Speed and Reliability of Nanomagnetic Logic Technology
纳米磁逻辑是一种能量高效的计算架构，其依赖于相邻磁体的偶极场耦合来传输和处理二进制信息。在这种架构中，纳米磁体链充当局部互连。为了评估这项技术的优点，必须通过实验确定磁信号沿这些链传输的速度和可靠性。在这项工作中，时间分辨泵浦-探测x射线光发射电子显微镜被用来观察沿纳米磁体链的磁信号传输。我们解决了连续的无错误的开关事件在一个单一的纳米磁体链的速度为100 ps每纳米磁体的顺序，与预测的基础上微磁建模。干扰传输的错误也被观察到。我们讨论这些错误的性质，并实现可靠的操作方法。
2014-03-25 cond-mat.mes-hall
Exploring Performance, Coherence, and Clocking of Magnetization in Multiferroic Four-State Nanomagnets
纳米磁性存储器和逻辑目前被视为有前途的候选人，以取代目前的数字计算架构，由于其优越的能源效率，非易失性和高密度和低功耗应用的倾向。在这项工作中，我们研究了使用形状工程（凹面和菱形）引入双轴各向异性的单域纳米磁体，从而产生多个易轴和难轴。这种尺寸为100 nm × 100 nm的纳米磁体通过每个纳米磁体编码更多信息（四个二进制位：00，11，10，01）使常规双态纳米磁性器件的逻辑密度加倍，并且可以用于存储器和逻辑器件以及高阶信息处理应用。我们研究的可靠性，磁化切换的一致性，并显示，第一次，使用电压引起的应变的磁化在这些四态纳米磁体的时钟。关键参数，如尺寸，厚度，介电常数，和两种类型的四态纳米磁体的几何形状也进行了研究。这项分析研究为实现可靠和一致的单畴纳米磁体和四态纳米磁体中的低能磁化时钟提供了重要的见解，为先进技术的潜在应用铺平了道路。
2017-04-27 cond-mat.mes-hall
Selective and Fast Plasmon-Assisted Photo-Heating of Nanomagnets; A New Route for Opto-Activated Nanomagnetic Logic and Artificial Spin Systems
模拟Ising巨自旋的纳米磁性岛的热弛豫对于研究几何受挫的人工自旋系统和低能纳米磁性计算是不可或缺的。然而，目前使用的基于与热储层接触的加热方案缺乏在技术应用中实施所需的速度和空间选择性。应用一种混合的方法，通过将等离子体纳米加热器与磁性元件相结合，在这项工作中，我们建立了非接触式光学装置的纳米磁性阵列中的局部温度的鲁棒性和可靠性控制。等离子体辅助的光加热允许温度升高高达几百开尔文，这导致热激活的磁矩反转和磁矫顽场的显著降低。此外，细长等离子体激元元件的偏振相关吸收截面使得能够在亚纳秒时间尺度上进行亚晶格特定加热。使用光学自由度，即焦点位置，偏振，功率和脉冲长度，纳米磁体的热等离子体激元加热提供了其本身用于功能磁性超材料的灵活，快速，空间选择性和元素选择性热化。
2019-02-11 cond-mat.mes-hall
Magneto-elastic universal logic gate: A non-volatile, error-resilient Boolean logic gate with ultra-low energy-delay product
计算机技术的一个长期目标是用同一设备处理和存储数字信息，以实现新的体系结构。实现这一点的一种方法是使用纳米磁性“非易失性”逻辑门，其可以执行布尔运算，然后将输出数据存储在纳米磁体的磁化状态中，从而兼作逻辑和存储器。不幸的是，许多提出的纳米磁性门不具备布尔逻辑门的七个基本特征：级联性，非线性，输入和输出之间的隔离，增益，通用逻辑实现，可扩展性和错误恢复能力。更重要的是，它们的能量延迟产品和错误率大大超过了传统的基于晶体管的逻辑门，这是一个缺点。在这里，我们提出了一种非易失性压控纳米磁逻辑门，它具有逻辑门的所有必要特征，并且其能量延迟积比其他纳米磁（非易失性）逻辑门小~2个数量级，比（易失性）基于CMOS的逻辑门小~1个数量级。错误恢复能力也优于其他已知的纳米磁性门。
2015-04-20 cond-mat.mes-hall
Nanomagnetic Boolean Logic -- The Tempered (and Realistic) Vision
纳米磁性布尔逻辑的想法是在二十多年前提出的。它设想使用具有两个稳定磁化方向的纳米磁体作为实现逻辑门和最终组合/时序电路的原始二进制开关。关于纳米磁逻辑将如何超越传统（基于晶体管的）逻辑电路的热情宣言充斥着应用物理文献。20年后，还没有一个可行的纳米磁性逻辑芯片出现，更不用说商业上的成功了。在这篇观点文章中，我提供了我的原因，为什么这已经发生了。我提出了一个现实的和锻炼的纳米磁逻辑的愿景，指出了许多误解这种范式，在一些建议，出现在文献中的缺陷，缺点和可能的陷阱，可能会阻碍在这一领域的进展。
2021-01-08 cond-mat.mes-hall cs.SY eess.SY
Nanomagnetic Self-Organizing Logic Gates
CMOS技术的摩尔定律的终结促使人们寻找低功耗计算的替代方案，从而产生了几个基于磁逻辑的有前途的建议[1-8]。一种方法旨在定制纳米磁性岛的阵列，其中静磁相互作用约束磁化的平衡取向以嵌入逻辑功能[9-12]。尽管实现了这种纳米磁逻辑的概念的几个证明[13-15]，但与广泛的CMOS设计相比，仍然不清楚其优点是什么，因为它们需要时钟[16，17]和/或热退火[18，19]，对于这些时钟和/或热退火，不能保证快速收敛到基态。事实上，越来越明显的是，“超越CMOS”技术将需要对我们的计算范式进行根本性的重新思考。在这方面，提出了一种终端不可知逻辑[21]，其中给定的门能够“自组织”到其正确的逻辑状态，而不管信号是施加到传统的输入端子还是输出端子。在这里，我们介绍纳米磁自组织平衡逻辑门，采用杂散场耦合纳米磁岛执行终端不可知逻辑。我们说明了他们的能力，通过实现可逆的布尔电路来解决一个两位分解问题，通过数值建模。鉴于其设计和操作模式，我们预计这些系统将比参考文献中建议的系统有显着改进。[21]，从而提供了一种探索memcomputing的替代路径，其有用性已经通过解决各种困难的组合优化问题得到了证明[22]。
2020-12-23 cond-mat.mes-hall nlin.AO
Sub-nanosecond signal propagation in anisotropy engineered nanomagnetic logic chains
能量高效的纳米磁逻辑（NML）计算架构通过依赖于偶极场耦合来重新定向紧密间隔的纳米级磁体来传播和处理二进制信息。在各种尺寸，形状和磁性取向的纳米磁体链中的信号传播先前已经通过低速绝热操作的静态磁成像实验进行了表征;然而，在高速操作（亚ns时间尺度）中确定最终状态及其在数百万个循环中的再现性的机制还有待实验研究。监测NML在其最终固有速度下的操作揭示了常规静态成像无法检测到的特征，包括信号传播期间的单个纳米磁切换事件和系统误差成核。在这里，我们提出了一个新的研究NML操作在一个高速政权在快速重复率。我们进行直接成像的数字信号传播的坡莫合金纳米磁体链与不同程度的形状工程双轴各向异性使用全磁场软x射线透射显微镜后，施加单个纳秒磁场脉冲。此外，我们使用时间分辨的磁光发射电子显微镜，以评估亚纳秒偶极耦合信号的传播动力学优化链与100 ps的时间分辨率，因为它们是循环与纳秒场脉冲在3 MHz的速率。观察到每个磁体100 ps的固有开关时间。这些实验，以及伴随的宏观自旋和微磁模拟，揭示了在纳秒时间尺度上重复操作的NML架构的底层物理，并确定了相关的工程参数，以优化性能和可靠性。
2014-08-13 cond-mat.mes-hall
Binary information propagation in circular magnetic nanodot arrays using strain induced magnetic anisotropy
纳米磁逻辑已经成为传统CMOS逻辑的潜在替代品，因为它具有优越的能效。纳米磁性逻辑的一种实现方式采用形状各向异性（例如，椭圆形）铁磁体（具有两个稳定的磁化取向）作为依赖于偶极-偶极相互作用来传送二进制信息的二进制开关。通常，圆形纳米磁体与这种方法不兼容，因为它们缺乏独特的稳定的面内磁化取向来编码比特。然而，圆形磁致弹性纳米磁体可以制成双稳态，具有电压诱导的各向异性应变，这为纳米磁性逻辑应用提供了两个显著的优点。首先，形状各向异性能垒被消除，这减少了重新定向偶极子的能量的量。其次，面内尺寸可以减小（~ 20 nm），这在以前由于热稳定性问题而不可能实现。在圆形磁致弹性纳米磁体中，即使在克服热稳定性问题的这种尺寸下，电压引起的应变也使磁化稳定。在本文中，我们分析证明了一个二进制逻辑线实现与一个阵列的圆形纳米磁体，时钟与电压引起的应变所施加的底层压电基板。这导致了优于现有的基于CMOS的逻辑的数量级的节能逻辑范例，其可扩展到比现有的纳米磁性逻辑方法的尺寸小得多的尺寸。的分析方法进行了验证与实验测量上制作的PMN-PT样品偶极耦合镍纳米点。
2016-02-29 cond-mat.mes-hall
Ultralow Energy Analog Straintronics Using Multiferroic Composites
多铁性材料中的电场诱导磁化翻转为超越摩尔定律时代的超低能量计算带来了深远的希望。多铁性材料中的双稳态纳米磁体通常被认为适合于存储二进制信息位，并且在两种稳定状态之间切换允许我们处理数字信息。然而，在未来的信息处理系统中，纳米磁性器件的无缝集成也需要处理连续的模拟信号。在这里，我们表明，它是可以利用磁致伸缩纳米磁体的模拟性质，相反，写一个数字位的信息。通过求解室温下磁化动力学的随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程，我们证明了这种可能性，并表明应变介导多铁性复合材料中磁致伸缩纳米磁体的输入输出特性存在类似晶体管的高增益区。这可以成为未来信息处理系统中超低能量模拟和混合信号处理的基础，并且它消除了使用基于电荷的晶体管的要求。
2017-03-06 cond-mat.mes-hall
Energy-efficient mixed mode switching of a multiferroic nanomagnet for logic and memory
在磁性存储器和逻辑器件中，磁体的磁化通常利用传递自旋转移力矩（STT）的自旋极化电流来翻转。这种切换模式消耗太多的能量，并且通过使用利用STT和利用电压（VGS）产生的机械应力的组合切换的多铁性纳米磁体可以产生相当大的能量节省。VGS模式比STT消耗更少的能量，但不能将磁化旋转超过90？，从而需要两种模式的组合来进行节能切换。
2010-12-03 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
Magnetization Dynamics, Bennett Clocking and Associated Energy Dissipation in Multiferroic Logic
最近已经表明，多铁性逻辑-其中逻辑位在弹性耦合到压电层的纳米级磁致伸缩层的磁化方向上编码-可以用施加到压电层的几十mV的小静电势进行Bennett计时。电势在磁致伸缩层中产生应力，并将其磁化旋转大角度以进行贝内特计时。这种计时方法比使用自旋转移力矩更节能。为了评估这样的时钟方案也可以合理快速，我们已经研究了最近邻偶极耦合的多铁性逻辑阵列的磁化动力学的Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）方程。我们发现，开关延迟约3 ns（0.33 GHz的时钟速率），可以实现与适当的设计，只要我们时钟非同步和耗散约48,000 kT（在室温下）的能量，每个时钟周期每个位翻转的时钟电路。这种耗散远远超过了分离两个逻辑状态的能量势垒，我们假设该能量势垒为32 kT，以产生误码概率。如果我们使用自旋转移矩以相同的~ 3 ns延迟进行切换，则能量耗散将大得多（~ $6 \times 106$ kT）。这表明，自旋转移力矩，广泛用于磁性随机存取存储器，是一种低效的方式来切换一个磁铁，和多铁性逻辑时钟与电压感应应力是一个优越的纳米磁性逻辑方案。
2011-05-31 cond-mat.mes-hall
Reprogrammable magnonic logic in a multiferroic heterostructure via magnetoelectric coupling
Laboratoire Albert Fert, CNRS, Thales, Université Paris-Saclay（阿尔伯特·费尔特实验室，法国国家科学研究中心，泰雷兹集团，巴黎萨克雷大学）；Faculty of Information Technology and Bionics, Pázmány Peter Catholic University（帕兹马尼·彼得天主教大学信息与仿生技术学院）；Centre de Nanosciences et de Nanotechnologies, CNRS, Université Paris-Saclay（纳米科学与工程中心，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；Laboratoire de Physique des Solides, CNRS, Université Paris-Saclay（固体物理实验室，法国国家科学研究中心，巴黎萨克雷大学）；Institute of Applied Physics, University of Münster（明斯特大学应用物理研究所）
本研究通过磁电耦合在多铁异质结构中实现可重新编程的磁性逻辑，展示了通过铁电域工程精确调节磁子散射 dispersion 的方法，实现了频率偏移达150 MHz的可重构波导，并展示了该方法非易失性和可逆性控制的优势，进一步展示了其在磁性逻辑、共振和神经形态计算中的应用前景。
2026-05-16 cond-mat.mes-hall
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
Multiferroic Magnon Spin-Torque Based Reconfigurable Logic-In-Memory
针对磁振子逻辑缺乏高效电学操控的问题，本文利用多铁性铁酸铋中铁电极化对非共线反铁磁结构及磁振子自旋力矩的调制，在单器件中实现可重构存内逻辑。
2023-09-26 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
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
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
Tri-state Buffer: Magnetic Vortex Transistor Based Logic Devices
电子门的磁模拟在许多方面都是有利的。与半导体器件相比，磁逻辑器件没有电子泄漏，开关速度更快，更节能。最近，我们提出了一个磁涡旋晶体管和扇出器件的基础上仔细耦合的磁涡旋在孤立的纳米磁盘。在此，我们利用微磁学模拟的方法，展示了一种基于非对称涡旋晶体管的新型磁逻辑门。根据磁涡旋的两个主要特征（拓扑结构），手性和极性，网络可以表现得像一个三态缓冲器。将非对称磁涡旋晶体管作为一个单元，将两个这样的晶体管并联，另一个晶体管置于输出端，形成了逻辑门。由于反涡旋孤子在杂散磁场中的运动，输入晶体管中给定的磁能以巨大的放大率传递到输出晶体管。输出晶体管的能量损失和增益只能通过控制输入晶体管中中间涡旋的极性来控制。由于反涡旋孤子的非对称能量转移，我们在这个拓扑对称系统中成功地实现了扇入操作。可以形成具有两个晶体管的扇入的三态缓冲栅极。这种门可以作为逻辑电路的开关，对大规模涡旋网络的能量传输具有重要的技术意义。
2019-02-21 cond-mat.mes-hall
Tuning magnetic charge population and mobility in unidirectional array of nanomagnets as a function of lattice parameters
纳米磁体的集合经常被用于在纳米磁逻辑器件的设计中模拟元胞自动机，或者在人工自旋冰系统中模拟磁荷的挫败和出现。在以前的工作中，我们表明纳米磁体的单向排列可以表现为人工自旋冰，具有由第二相邻偶极相互作用引起的挫折，并且由于电荷之间的低弦张力而呈现出良好的磁电荷迁移率。在这里，我们提出了一个实验研究的磁电荷人口和流动性的横向和纵向的纳米磁体之间的距离的函数。我们的研究结果证实了部分的理论预测，在其他地方进行的紧急相互作用模型，可能是有用的纳米磁体逻辑器件的设计，并带来了新的见解最佳设计的磁荷弹道输运在低外部磁场与磁荷迁移率调谐应用在磁性。
2018-09-06 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Low Barrier Nanomagnets as p-bits for Spin Logic
It has recently been shown that a suitably interconnected network of tunable telegraphic noise generators or "p-bits" can be used to perform even precise arithmetic functions like a 32-bit adder. In this paper we use simulations based on the stochastic Landau-Lifshitz-Gilbert (sLLG) equation to demonstrate that similar impressive functions can be performed using unstable nanomagnets with energy barriers as low as a fraction of a kT. This is surprising since the magnetization of low barrier nanomagnets is not telegraphic with discrete values of +1 and -1. Rather it fluctuates randomly among all…
2017-04-12 cond-mat.mes-hall
Engineering Relaxation Pathways in Building Blocks of Artificial Spin Ice for Computation
纳米磁逻辑，它利用偶极耦合的单域纳米磁体的阵列进行计算，有望作为一种低功耗的替代传统的CMOS计算。除了将纳米磁体用于布尔逻辑之外，纳米磁体还可以用于非确定性计算方案，例如图像中的边缘检测和解决旅行商问题。在这里，我们展示了基于人工自旋冰的热活性纳米磁体的安排的确定性和概率计算的潜力。这是通过遵循特定热弛豫路径的工程结构来实现的，该热弛豫路径由从初始场设置状态到最终低能量输出状态的磁矩的一系列重新取向组成。此外，我们证明，它是可能的，以调整达到一个特定的最终低能量状态的概率，因此，一个给定的输出的可能性，通过修改intermagnet距离。最后，我们通过实验证明了一个方案，连接几个计算构建块进行复杂的计算。
2018-12-17 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Controlling Domain-Wall Nucleation in Ta/CoFeB/MgO Nanomagnets via Local Ga+ Ion Irradiation
畴壁成核过程的全面控制对于基于自旋的新兴技术是至关重要的，所述新兴技术从随机存取和存储级存储器到畴壁逻辑概念到纳米磁性逻辑。在这项工作中，聚焦Ga+离子辐照研究作为一种有效的手段来控制域壁成核Ta/CoFeB/MgO纳米结构。我们发现，类似于He+照射，它不仅可以减少垂直磁各向异性，而且还可以显着增加它，使新的，双向的操纵方案。首先，在薄膜水平上评估辐照效应，概述了磁能景观中的剂量依赖性变化。随后的时域成核特性的照射纳米结构揭示了各向异性领域的大幅增加，但令人惊讶的是，对测量的能量势垒的影响很小，表明收缩成核体积。畴壁形核点的空间控制是通过采用预辐照磁体的聚焦辐照来实现的，引入的圆形缺陷的直径控制磁致伸缩性。特别注意的成核机制，从斯通-Wohlfarth粒子的相干旋转从各向异性梯度脱钉。动态微磁模拟和相关的测量，除了模型和分析这种脱钉为主的磁化反转。
2021-02-15 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Gate-voltage switching of non-reciprocal transport in oxide-based Rashba interfaces
本研究发现SrTiO₃二维电子气中Edelstein效应的符号可通过栅压调控，提出了基于电流与栅压双重控自旋的逻辑器件，为栅可调非互易电子学提供新方向。
2023-10-02 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
