Магнитные логические ячейки на основе ферромагнитных наноструктур Отдел магнитных наноструктур ИФМ РАН «Надо заниматься магнитной логикой…» А.А. Андронов (младший) около 2010 г. План рассказа • Магнитные логические ячейки • Основные логические элементы • Магнитная логика на основе движения доменных стенок в нанопроволоках • Логические ячейки, основанные на эффекте пиннинга доменной стенки полями рассеяния наночастиц • Заключение Логические устройства • Механические • Гидравлические • Пневматические • Электромагнитные • Электромеханические • Электронные • Магнитные Магнитные логические элементы H Alexandra Imre D.K.Karunaratne et al., JAP, 111, 07A928 (2012) 2006 University of Notre Dame, Center for Nano Science and Technology, USA Argonne National Laboratory 0 1 Магнитные логические элементы H Russel Cowburn 2002 Thin Film Magnetism Group, Cavendish Laboratory, University of Cambridge, United Kingdom D.A.Allwood et al., JAP, 100, 123908 (2006) 0 1 Простейшие элементы Повторение (ДА) Вход Выход Вход Выход Вход Выход Вход Выход 0 0 0 1 1 1 1 0 Выход Вход Отрицание (НЕ) Вход Выход (1) (2) (1) (2) Бинарные элементы Умножение (И) Вход 1 Выход Сложение (ИЛИ) Вход 1 Выход Вход 2 Вход 2 Вход 1 Вход 2 Выход Вход 1 Вход 2 Выход 0 0 0 0 0 0 1 0 0 1 0 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1 1 1 Бинарные элементы Исключающее Вход 1 ИЛИ Выход Исключающее ИЛИ-НЕ Вход 1 Выход XOR Вход 2 Вход 2 Вход 1 Вход 2 Выход Вход 1 Вход 2 Выход 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 0 1 1 1 Сложение по модулю 2 Бинарные элементы Исключающее ИЛИ - НЕ Вход 1 Логический базис Выход Вход 2 Вход 1 Вход 2 И , НЕ Вход 1 Вход 2 Выход 0 0 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 Вход 1 Вход 2 - 2 элемента ИЛИ , НЕ - 2 элемента И – Не - 1 элемент ИЛИ – НЕ - 1 элемент Выход Магнитная логика на основе движения доменных стенок в ферромагнитных нанопроволоках Доменные стенки в нанопроволоке Поперечная доменная стенка d < 20 нм Вихревая доменная стенка d > 20 нм Управляемое зарождение ДС H H Not - gate HN > H > Hn 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 Наши предложения 2008 Выход 1 2 Управляющие частицы Доменная стенка Генерация доменов Hz Наши предложения 2008 Min min Max max Нанопроволоки The field-driven NW-NP system Ferromagnetic nanoparticles Nucleating part (DW generation) H Domain wall Nanowire V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012). The domain wall in ferromagnetic nanowire The simulated magnetization distribution in Co60Fe40 nanowire of 20 × 100 × 3000 nm3. Micromagnetic simulation H 0 Initial state Micromagnetic simulation H DW nucleation Micromagnetic simulation HN HN = 300 Oe DW nucleation Micromagnetic simulation HN Domain wall pinning Micromagnetic simulation H exN H D Domain wall propagation Micromagnetic simulation H ex Final state DW pinning near the NPs Н DW Н=0 Н = НD H = 0.5 HD ED = 500 eV The potential energy profiles for different external magnetic fields. HD = 470 Oe DW pinning between NPs Н DW Н=0 ED Н = НD H = 0.5 HD ED = 500 eV The potential energy profiles for different external magnetic fields. HD = 470 Oe Micromagnetic simulation H 0 Initial state Micromagnetic simulation H DW nucleation Micromagnetic simulation HN HN = 300 Oe DW propagation Micromagnetic simulation HN DW pinning between NPs Micromagnetic simulation HD HN DW depinning Micromagnetic simulation HD Final state Weak DW pinning Н DW ED Magnetic moments of NPs are oriented in the same direction ED = 60 ev The potential energy profiles for different external magnetic fields. HD < HN = 300 Oe Weak DW pinning Н DW Magnetic moments of NPs are oriented in the same direction ED = 60 ev The potential energy profiles for different external magnetic fields. HD < HN = 300 Oe Nanowire-nanoparticles system Co60Fe40 nanowire 20 × 100 × 3000 nm3 and 20 × 100 × 200 nm3 nanoparticles Remagnetization experiment V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012). Remagnetization experiment V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012). Remagnetization experiment V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012). NW-NP logical cell "0" "1" Input B1 H B2 Input 1 Output Input 2 B3 B4 V.L. Mironov, O.L. Ermolaeva, E.V. Skorohodov, A.Yu. Klimov Physical Review B, 85, 144418 1-9 (2012). "0" "1" Output Input 1 Input 2 Output 0 0 0 1 0 1 1 1 0 1 1 0 “Exclusive disjunction” “XOR” Different configurations of NW-NP systems Domain wall pinning ENW × 10-10 (erg) 6 H 2 4 3 2 DW EB 0 1 -2 -4 -6 -400 -200 0 200 xDW (nm) 400 Domain wall pinning ENW × 10-10 (erg) H 6 2 3 4 DW 2 0 1 -2 EW -4 -6 -400 -200 0 xDW (nm) 200 400 NW-NP logical cell B1 H B2 Input 1 Input "0" "1" Output "0" "1" Output Input 2 B4 B3 H > HB Input 1 Input 2 Output 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 0 1 “Conjunction” Realizing all-spin–based logic operations atom by atom A. Khajetoorians et al., Science, 332, 1062 (2011) Atomic OR gate Вход 1 Вход 2 Выход 0 0 0 1 0 1 0 1 1 1 1 1 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 Вход Выход 0 0 1 1 Вход Выход 0 1 1 0 Expert Reductor Expert Reductor Physical Review Expert 1 Reductor Expert 2 Вход 1 Вход 2 Выход Вход 1 Вход 2 Выход 0 0 0 0 0 0 1 0 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 1 1 1 1 1 1