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
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
Reducing error rates in straintronic multiferroic dipole-coupled nanomagnetic logic by pulse shaping
偶极耦合纳米磁逻辑（NML），其中具有双磁化状态的纳米磁体充当二进制开关，并且信息通过偶极耦合和贝内特时钟在它们之间传输，是传统晶体管逻辑的潜在替代品，因为磁体在响应于时钟切换时消耗的能量比晶体管少。然而，偶极耦合NML比晶体管逻辑更容易出错，因为热噪声可以容易地破坏磁化动态。在这里，我们研究了一个特别节能的版本的偶极耦合NML被称为应变多铁性逻辑（SML），其中磁铁时钟/开关与电气产生的机械应变。通过适当地成形产生应变的电压脉冲，SML中的错误率可以降低到可容忍的限度。在本文中，我们描述了与各种应力脉冲形状的错误概率，并讨论了错误率和切换速度之间的权衡SML。
2014-05-15 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
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
Complex field reversal dynamics in nanomagnetic systems
本文采用Glauber平均场模型研究纳米磁体系统在外部磁场下的反转动力学，发现一维链和树形结构可解析表达并产生谐波谱，二维和三维则形成依赖场强和相互作用调谐的分形反转簇。
2023-02-09 cond-mat.mes-hall cond-mat.stat-mech
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
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
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
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
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
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
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
Experimental Demonstration of an Extreme Sub-Wavelength Nanomagnetic Acoustic Antenna Actuated by Spin-Orbit Torque from a Heavy Metal Nanostrip
一种新型的片上极端亚波长“声天线”，其辐射效率是谐振驱动天线的理论极限的约50倍。该天线由沉积在压电衬底上的磁致伸缩纳米磁体组成。纳米磁体与重金属（Pt）纳米带部分接触。通过纳米带的交流电流的通道在纳米磁体上施加交替的自旋轨道扭矩，并周期性地旋转它们的磁化。在旋转过程中，磁致伸缩纳米磁体膨胀和收缩，从而在下面的压电衬底中建立交替的拉伸和压缩应变。这导致在衬底中产生表面声波，并使纳米磁体组件充当声学天线。该声学天线在检测频率下的测量辐射效率为~ 1%，而波长与天线尺寸之比为~ 67：1。对于以声共振驱动的标准天线，效率将被限制为~（1/67）^2 = 0.02%。通过启动天线，而不是通过声共振，而是通过使用一种完全不同的机制，包括源自Pt中的巨自旋霍尔效应的自旋轨道扭矩，有可能超过该限制（约50倍）。
2020-03-08 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
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
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
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
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
Unidirectional information flow in a nanomagnetic metamaterial
Norwegian University of Science and Technology（挪威科技大学）；ALBA Synchrotron Light Facility（阿尔巴同步辐射光源设施）
本文提出一种非 reciprocity 的纳米磁体相互作用框架，发现具有内在方向性的 ASI 结构，通过外部场驱动实现单向磁畴运动，提升 reservoir 计算中的记忆能力。
2026-04-10 cond-mat.mes-hall cs.ET
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
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
Coherence Window in the dynamics of Quantum Nanomagnets
在许多固态系统中，退相干非常高，使制造固态量子比特的努力受挫。我们发现，在纳米磁性绝缘体在大的横向场，可以有一个相当窄的领域，其中声子和核自旋介导的退相干急剧减少。作为示例，我们计算$Fe$-8纳米分子、$Ni$颗粒和$LiHo_xY_{1-z}F_4$中的$Ho$离子的退相干速率。与低场速率相比，退相干的减少可以超过6个数量级。结果也给出了磁系统中宏观相干效应的可观测性的局限性。
2003-09-12 cond-mat.mes-hall
SQUID-on-tip with single-electron spin sensitivity for high-field and ultra-low temperature nanomagnetic imaging
扫描纳米超导量子干涉器件（nanoSQUID）的低维系统的磁性，自旋电子学和输运性质的高灵敏度定量成像越来越感兴趣。利用专门设计的凹槽石英毛细管拉到一个尖锐的移液管，我们已经制造了最小的SQUID的尖端（SOT）设备的有效直径低至39纳米。集成电阻分流器，紧密接近移液管顶点结合自对准沉积的In和Sn，导致SOT的磁通噪声为42 $Φ_0$ Hz $^{-1/2}$，产生创纪录的低自旋噪声0.29 $μ_B$ Hz $^{-1/2}$。此外，新型SOT可在低于开尔文温度和超过2.5 T的高磁场中工作。将SOT集成到扫描探针显微镜中，使我们能够在300 mK下对单个Fe $_3$ O $_4$纳米立方体的杂散场进行成像。结果表明，Fe-$_3$-O-$_4$的易磁化轴方向发生了从室温下的（111）方向到面内取向的转变，这是由于Fe-$_3$-O-$_4$的Verwey相变引起的.
2020-01-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.supr-con
A Nanomagnetic Voltage-Tunable Correlation Generator between Two Random Bit Streams for Stochastic Computing
随机计算的图形概率电路模型比主流的深度学习模型更强大，但也有更苛刻的要求。例如，它们需要“可编程随机性”，例如，生成两个随机二进制比特流，其中两个流中的对应比特之间的相关量可调。这种系统的电子实现将需要几个组件，在芯片上留下大的足迹并耗散过多的能量。在这里，我们展示了一个优雅的实现只有两个偶极耦合磁隧道结（MTJ），磁致伸缩软层，压电薄膜上制作。两个MTJ的电阻状态（高或低）对两个流中的比特进行编码。第一MTJ经由产生自旋转移力矩和/或电压控制的磁各向异性的电流或电压被驱动到随机电阻状态，而第二MTJ的电阻状态仅由与第一MTJ的偶极耦合确定。偶极耦合的效果可以随着利用局部电压（~ 0.2V）施加到第二MTJ的局部应变而变化，并且这改变了两个MTJ的电阻状态之间的相关性，并且因此改变了两个流中的位之间的相关性（从0%到100%）。该范例可以扩展到任意数量的比特流。
2019-07-17 cond-mat.mes-hall cs.SY eess.SY
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
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
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
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
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
Collective Spin Dynamics in the "Coherence Window" for Quantum Nanomagnets
近年来，纳米磁性绝缘体中的自旋相干现象及其观测的可能性引起了人们越来越多的关注。最近的研究表明，在大的横向磁场中，这些系统中声子和核自旋介导的退相干可以存在一个相当窄的“相干窗口”。那么，在这个窗口中，在磁性纳米分子与声子、核自旋池以及它们之间通过偶极-偶极相互作用耦合的晶体中，可以预期什么样的自旋动力学？研究多自旋相关性，我们确定的区域的参数，“相干集群”的集体自旋激发可以出现。虽然在这项工作中使用了两个特定的系统，即$Fe_8$ -三氮杂环壬烷和$Mn_{12}$ -乙酸酯分子的晶体来说明结果，但在这里我们并不试图预测在某些特定系统中集体相干动力学的存在。相反，我们讨论了如何分析偶极偶极耦合纳米分子的任何晶体系统，以决定该系统是否适合于观察相干动力学的尝试。所提出的分析可以在寻找磁系统显示自旋相干现象是有用的。
2005-01-03 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
Electrically programmable magnetic coupling in an Ising network exploiting solid-state ionic gating
通过固态离子门控电压调控磁各向异性，实现Ising纳米磁体间耦合的可逆切换，并在人工自旋冰中展示电压控制相变，构建电可编程Ising网络，为纳米磁体逻辑器件和神经形态计算开辟新途径。
2023-05-05 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
Thermal Stability of the Magnetization in Perpendicularly Magnetized Thin Film Nanomagnets
当设计垂直磁化的图案化介质和磁性随机存取存储器时，理解具有垂直磁各向异性（PMA）的薄膜纳米磁体对抗热致磁化反转的稳定性是重要的。磁化反转率的前导顺序依赖性由系统需要克服以进行反转的能量势垒决定。在本文中，我们研究这些系统的反转动力学和计算相关的障碍，使用弦方法的E，范登-艾金登，任。我们发现反转往往是空间不相干的，也就是说，而不是磁化翻转作为一个刚性的单位，反转收益，而不是通过一个孤立的畴壁扫过系统。我们发现，对于正方形纳米磁性元件的能量势垒随元件尺寸增加到一个临界长度尺度，超过该尺度的能量势垒是恒定的。对于圆形元素，能量势垒继续无限地增加，尽管超过临界尺寸时会更慢。在这两种情况下的能量势垒小于预期的相干磁化反转。
2012-08-26 cond-mat.mes-hall physics.comp-ph
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
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
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
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
Chirality from interfacial spin-orbit coupling effects in magnetic bilayers
随着纳米磁性器件尺寸的缩小，由于界面处结构反转对称性的破坏而导致的自旋轨道耦合变得越来越重要。在这里，我们使用一个简单的Rashba模型研究磁性双层膜中的界面自旋轨道耦合效应。自旋-轨道耦合将手性引入电子的行为中，并通过它们引入磁化的能量学中。在磁化动力学的导出形式中，自旋-轨道耦合中线性的所有贡献都来自于这种手征性，大大简化了分析。对于这些系统，一个重要的结果是Dzyaloshinskiii-Moriya相互作用和自旋轨道力矩之间的相关性。我们使用这种相关性来分析最近的实验。
2013-11-12 cond-mat.mes-hall
Ultrastrong magnon-magnon coupling and chiral spin-texture control in a dipolar 3D multilayered artificial spin-vortex ice
提出一种由多层人工自旋冰纳米阵列组成的3D磁子超材料，实现了超强磁子-磁子耦合（归一化耦合率0.57）、零场GHz模式频移及手性选择性磁子光谱控制。
2024-05-17 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
An Ultra-Sub-Wavelength Microwave Polarization Switching Antenna for Covert Communication Implemented With Directed Surface Acoustic Waves in an Artificial Multiferroic Magnonic Crystal
本文首次提出一种由压电衬底上磁致伸缩纳米磁体阵列构成的人工多铁性磁振子晶体超亚波长微波偏振切换天线，通过切换声表面波传播方向实现约90度偏振旋转，用于无需加密的点对点隐蔽通信。
2025-08-25 cond-mat.mes-hall eess.SP
Critical analysis and remedy of switching failures in straintronic logic using Bennett clocking in the presence of thermal fluctuations
应变逻辑是一个有前途的平台，超越摩尔定律的计算。使用Bennett时钟机制，信息可以通过应变介导的多铁性纳米磁体阵列传播，利用磁体之间的偶极耦合，而不必将它们物理互连。在这里，我们对开关故障进行了批判性分析，即，由于通过一系列这样的应变电子器件的热波动而引起的信息传播误差。我们解决了随机Landau-Lifshitz-Gilbert方程考虑室温热扰动和磁化开关可能会失败，由于固有的磁化动力学伴随着热加宽的开关延迟分布。提出了规避此类问题的途径。
2015-04-17 cond-mat.mes-hall
