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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
Averaged equation for energy diffusion on a graph reveals bifurcation diagram and thermally assisted reversal times in spin-torque driven nanomagnets
通过自旋极化电流驱动纳米磁体在磁电子学中提供了令人兴奋的前景，但磁体对这种电流的响应仍然知之甚少。我们表明，一个平均方程描述的能量扩散图捕捉这些系统的低阻尼动态。从这个方程中，我们得到的磁铁的分岔图，包括临界电流诱导稳定的旋进状态和磁化翻转，以及在Kramers的标准反应速率理论不再有效的情况下，热辅助磁化反转的平均时间。这些结果与实验观测相吻合，并为具有反转时间有效能垒的Néel-Brown型公式提供了理论基础。
2022-01-19 cond-mat.mes-hall math.DS
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
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
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
Thermally-Assisted Spin-Transfer Torque Magnetization Reversal of Uniaxial Nanomagnets in Energy Space
通过研究单轴巨自旋的扩散能空间动力学，解析地研究了在自旋力矩和热噪声共同作用下，单轴巨自旋的开关时间随电流变化的渐近行为.的缩放依赖性（$I\rightarrow 0$，$<τ\propto\exp(-ξ(1-I)^2)$）证实了最近的文献结果。分析表明，平均开关时间是功能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。
2013-08-30 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
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
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
Signatures of Chaos in Thermal Switching of Nanomagnets
研究了微波外场作用下纳米颗粒的热激活磁化动力学。结果表明，在足够强的微波激励下，鞍型异宿连接附近可能出现混沌磁化动力学，这种异宿混沌是导致稳定磁化状态周围安全盆被侵蚀的原因.侵蚀现象，然后连接到从周围的稳定平衡的能量阱的逃逸问题。结果表明，逃逸时间服从广义Arrhenius定律，并与温度、微波场振幅、频率和异宿混沌阈值有关。
2016-10-18 cond-mat.mes-hall cond-mat.other
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
A reduced model for precessional switching of thin-film nanomagnets under the influence of spin-torque
研究了具有面内磁化的薄膜磁性元件在垂直于薄膜平面的自旋电流作用下的磁化动力学。我们推导出一个减少偏微分方程的面内磁化角在弱阻尼制度。然后，我们应用这个模型来研究实验相关的问题切换的椭圆形元件时，自旋极化有一个组件垂直于膜平面，限制减少模型的宏自旋近似。宏观自旋常微分方程被视为一个弱阻尼哈密顿系统解析，和轨道平均的方法是用来理解的离散动力系统的解决方案的行为的过渡。我们的简化模型的预测进行比较的完整的朗道-Lifshitz-吉尔伯特-Slonczewski方程的宏自旋。
2016-05-27 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
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
The effect of confinement on thermally induced fluctuations in nanomagnets
我们研究了在随机磁场激发下纳米磁体的磁化动力学，以模拟微磁框架中的温度。从结构的有限尺寸所产生的限制的效果进行了研究，我们可视化的内部磁振子模式的空间扩展。此外，我们确定的磁振子模式的温度依赖性，并专注于具体的低频边缘模式，这被发现显示与C-和S-状态之间的切换相关的波动，从而构成一个能量障碍。我们将这种波动行为分为三种不同的制度，并计算相关的能量障碍，使用Arkalius定律。
2021-02-26 cond-mat.mes-hall
Patterns and Thresholds of Magnetoelectric Switching in Spin Logic Devices
在寻求发展自旋电子逻辑的过程中，人们发现磁电开关比其他机制具有更低的能量和更短的开关时间。由于在与多铁性（诸如BiFeO3）的界面处的交换偏置而产生的磁电（ME）场非常适合于磁化的180度切换。ME场由BiFeO3中的倾斜磁化方向确定，该倾斜磁化方向可以指向与施加电压的平面成一定角度的方向。通过微磁学模拟确定了开关时间和电磁场阈值与开关角的关系。通过在BFO顶部的纳米磁体侧上形成畴壁并将其传播到磁体的其余部分来发生切换。对于面内磁化，切换发生在很宽的角度范围内，并在ME场的所有幅度高于阈值。对于面外磁化失效，由于从纳米磁体的相对端反射的畴壁而发生（除了ME场的窄范围的角度和幅度）。
2017-09-20 cond-mat.mes-hall
Stability of a Magnetically Levitated Nanomagnet in Vacuum: Effects of Gas and Magnetization Damping
在没有耗散的情况下，非旋转磁性纳米颗粒可以稳定地悬浮在静态磁场中，这是其磁化的自旋原点的结果。在这里，我们研究耗散对系统稳定性的影响，考虑与背景气体的相互作用和固有的吉尔伯特阻尼的磁化动力学。在大的应用磁场，我们确定吉尔伯特阻尼作为稳定悬浮的关键限制因素引起的磁化切换。在低施加的磁场和小颗粒尺寸的磁化切换是防止由于旋转和磁化动力学的强耦合，和稳定性主要是由气体引起的耗散的限制。在后一种情况下，高真空应该足以在实验相关的时间尺度上延长稳定的悬浮。我们的结果表明，实验观察量子自旋稳定的磁悬浮现象的可能性。
2022-05-31 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
Performance of Magnetic Quantum Cellular Automata and Limitations due to Thermal Noise
为了保证磁量子元胞自动机的可靠逻辑运行，对磁量子元细胞自动机的运行参数进行了评估。通过Landau-Lifshitz-Gilbert方程模拟了纳米磁体的动力学，其中随机磁场对应于热涨落。结果发现，在宏观自旋近似下，开关速度不改变缩放的大小和纳米磁体之间的距离。热波动限制了纳米磁体的尺寸，因为在室温下小于200 nm的纳米磁体的门错误率变得过大。
2009-06-29 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
Ultra-low-energy computing paradigm using giant spin Hall devices
自旋霍尔效应将电荷电流转换为自旋电流，自旋电流可以施加自旋力矩来切换纳米磁体的磁化。最近，它表明，使用自旋霍尔效应的自旋电流与充电电流的比率可以通过明智地使用面积几何形状超过1，不同于传统的纳米磁体的自旋转移矩开关的情况。这可以使节能手段写入纳米磁体中的信息位。在这里，我们研究了这种自旋霍尔器件的能量耗散。通过求解随机Landau-Lifshitz-Gilbert磁化动力学方程，提出了一种在减小自旋霍尔器件横向尺寸的同时，减小开关延迟及其方差和能量耗散的方法.
2015-06-18 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
Spin-Transfer Torque Magnetization Reversal in Uniaxial Nanomagnets with Thermal Noise
我们考虑的一般Landau-Lifshitz-Gilbert（LLG）动力学理论的磁化开关率的薄膜单轴磁体受到自旋扭矩效应和热涨落（热噪声）。在讨论了各种动力学制度的切换现象，我们提出了分析结果的平均切换时间的行为。我们的方法，明确解决的第一个通道时间问题的基础上，允许一个简单的分析热辅助，低自旋扭矩，切换渐近的薄膜磁体。为了验证我们的理论，我们已经开发了一个有效的基于GPU的微磁代码来模拟随机LLG动态到毫秒的时间尺度。我们探讨了自旋电流和单轴各向异性轴之间的几何倾斜对热辅助动力学的影响。我们发现，即使在轴对称的情况下，开关时间可以在功能上描述的形式几乎相同的共线的情况下。我们进一步验证，渐近行为达到相当缓慢，从而量化的交叉制度的热噪声的作用，连接确定性的热辅助磁化反转。
2012-11-08 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Pulse-assisted magnetization switching in magnetic nanowires at picosecond and nanosecond timescales with low energy
详细了解磁性纳米材料中的自旋动力学对于开发超快、低能和高密度自旋电子逻辑和存储器是必要的。在这里，我们开发的微磁模型和解析解，阐明增加阻尼和单轴各向异性的磁场脉冲辅助开关时间，能量和场的要求与垂直磁各向异性和钇铁石榴石类自旋输运性质的纳米线的效果。纳米线最初使用外部磁场脉冲（写入）和自弛豫来磁化。接下来，磁矩表现出确定性的开关后，接收2.5 ns长的外部磁脉冲在两个垂直极性。有利的阻尼（α~0.1-0.5）和各向异性能（10^4-10^5 J·m^-3）允许低至皮秒的磁化转换时间。利用自旋进动不稳定性，观察到磁场低于磁化强度的磁化反转。在开关速率、能量成本和所需的外部场之间出现了竞争或纳米磁性三元困境。开发具有优化阻尼和有效各向异性的磁性纳米线可以在室温下将开关势垒降低到3163 kBT。因此，纳米磁体中的脉冲辅助皮秒和低能量开关可以实现超快纳米磁性逻辑和元胞自动机。
2020-04-25 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
Texture fluctuations and emergent dynamics in coupled nanomagnets
我们分析了两个杂散场耦合单元中磁化织构的热涨落，形成中自旋。为此，能源景观与热动力学的纹理绘制出来，并确定不对称的能量障碍。这些障碍是修改通过改变的间隙，分离的mesospins。此外，边缘之间的耦合导致在亚稳最小值的能量表面的曲率的各向异性。这产生边缘模式的动态模式分裂，并影响尝试切换频率。因此，我们阐明的机制，在热浴中的磁振子产生的随机波动的边缘磁化。
2022-09-13 cond-mat.mes-hall
Voltage and Energy-Delay Performance of Giant Spin Hall Effect Switching for Magnetic Memory and Logic
在这封信中，我们表明，巨自旋霍尔效应（GSHE）MRAM可以实现更好的能量延迟和电压性能比传统的MTJ为基础的自旋扭矩器件在缩放纳米磁体尺寸（10-30 nm）。首先，我们推导了尺寸缩放对自旋注入效率、电压延迟和能量延迟的影响，并确定了低工作电压（<0.1 V）、高速（>10 GHz）操作的最佳电极几何形状。我们表明，有效的自旋注入效率> 100%，可以获得使用最佳的自旋霍尔电极厚度为30 nm的纳米磁体宽度。最后，我们推导了GSHE和MTJ器件的能量延迟轨迹，计算了GSHE和MTJ器件在磁体特征时间处能量最小的能量延迟积。优化的GSHE器件在与PMA结合时可以使MRAM具有缩放的纳米磁体（30 nm X 60 nm）、超低电压操作（< 0.1 V）、快速开关时间（10 ps）和低至100 aJ/位的开关能量。
2013-01-23 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci
