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磁学进展 自旋波计算路线图
1 维也纳大学物理学院，A-1090 维也纳，奥地利 2 国家标准与技术研究所，美国科罗拉多州博尔德 80305 3 科罗拉多州立大学物理系，美国科罗拉多州柯林斯堡 80523 4 维也纳大学 MMM 数学-磁性-材料研究平台，奥地利维也纳 1090 5 imec，比利时鲁汶 3001 6 杜伦大学物理系，英国杜伦 DH1 3LE 7 哥德堡大学物理系，瑞典哥德堡 412 96 8 马德里自治大学 Nicolás Cabrera 研究所 (INC) 和凝聚态物理研究所 (IFIMAC) 凝聚态物理系 C-III，西班牙马德里 9 法国国家研究中心巴黎萨克雷泰雷兹大学法国国家科学研究院，91767 帕莱索，法国 10 慕尼黑工业大学物理系，85748 加兴，德国 11 SN Bose 国家基础科学中心凝聚态物理与材料科学系，加尔各答 700106，印度 12 日本东北大学材料先进研究所，仙台 980-8577，日本 13 格罗宁根大学泽尔尼克先进材料研究所，9712 CP 格罗宁根，荷兰 14 慕尼黑工业大学电气与计算机工程系，80333 慕尼黑，德国
磁学进展 自旋波计算路线图
磁振子学是研究自旋波的物理特性并利用其进行数据处理的科学领域。可扩展至原子尺寸、从 GHz 到 THz 频率范围的操作、非线性和非互易现象的利用、与 CMOS 的兼容性只是磁振子提供的众多优势中的一小部分。尽管磁振子学仍然主要定位于学术领域，但该领域所涵盖的科学和技术挑战范围正在得到广泛研究，许多概念验证原型已经在实验室中实现。本路线图是许多作者共同努力的成果，涵盖了多功能自旋波计算方法、它们的概念构建块以及底层物理现象。特别是，路线图讨论了使用布尔数字数据的计算操作、神经形态计算等非常规方法以及基于磁振子的量子计算的进展。本文由七个大主题部分组成的子节集合组成。每个小节由一位或一组作者准备，并简要描述当前的挑战和研究方向进一步发展的前景。
基于自成像的可编程自旋波查找表
磁振子电路（利用 SW 的系统）[10,11] 可能由 SW 传播的波导[12–15] 和交叉处的干涉区组成，例如，用于创建多数门。[16–20] 波导还可以与其他波导耦合 [21,22] 以实现逻辑运算。以这种方式，已经有可能演示 32 位磁振子全加器 [21] 和基于 SW 的近似 4:2 压缩器。[23] 另一种策略是使用宽铁磁膜区域进行 SW 操作，并使用窄波导作为 SW 输入。这种方法被用来重定向[24–26] 和处理 SW。[27–32] 这些系统的运行基于传入 SW 的干涉。因此，对 SW 传播的介质（折射率的磁振子当量）的局部修改对于设计和优化其功能至关重要。最近的研究表明，可以通过在所谓的逆向设计方法中引入缺陷[32]、在该区域之上放置可编程磁性元件[30]或利用非共线磁化纹理[33–35]来实现。这种基于干涉的策略似乎也有希望实现在 SW 上运行的物理神经网络。[30,33] 因此，干涉效应为开发基于 SW 的超 CMOS 解决方案开辟了一条有希望的道路。平面波穿过一组周期性间隔的障碍物（衍射光栅或孔）时会发生干涉，在近场产生特征衍射图案，在距输入孔径特定距离处重现光栅图像。这种现象被称为塔尔博特或自成像效应，早在 19 世纪就在光中观察到。[36] 由此产生的干涉图案称为塔尔博特地毯，我们最近从理论上证明这种效应也可以发生在 SW 上。 [37] SW 产生的 Talbot 地毯的性质在很大程度上取决于磁性材料的材料参数、几何形状、类型和厚度，以及波长、方向和外部磁场值等动态参数。在这里，我们利用了薄铁磁多模波导中发生的自成像现象，其中 SW 由周期性间隔的单模输入波导引入。进入多模波导的 SW 具有可控相位。特别是，我们提出了一类可重新编程的磁子块，可实现阵列索引操作。
层状反铁磁体表现出驻自旋波
重大技术进步依赖于对电荷和自旋的控制和利用——这是电子的两个基本特性。最近，人们对磁振子学领域的兴趣日益浓厚，该领域试图了解由于自旋或磁振子的集体振荡而形成的模式的物理原理。利用磁振子提供了额外的最小化损失的范围，因为不需要传输电子。在 TIFR 纳米电子学小组最近的一项研究中，在具有范德华层状晶体结构的反铁磁材料中观察到驻自旋波模式。当微波频率的电磁信号在磁场存在下与反铁磁体中的磁矩相互作用时，这些模式被激发。这项研究呈现出一个令人兴奋的前景，因为它是范德华材料中驻自旋波的首次观察。该团队研究的材料三氯化铬 (CrCl 3 ) 属于三卤化铬家族，该家族也是首次报道在 2D 极限下（即当晶体变薄至单个原子厚度时）表现出磁性的材料之一。由于这些材料具有层状可裂结构，因此有可能用于现代电子设备的小型化。虽然在接近 THz 频率的其他反铁磁体中也发现了驻自旋波模式，但在本研究中，该团队在低 GHz 微波频率下激发了驻自旋波模式，该频率通常用于通信和量子信息相关研究。这项研究于 2020 年 11 月 27 日在线发表在《先进材料》杂志上。
铁磁层之间相互作用对自旋波动力学的影响
磁性材料已知数千年。，由于它们在电动机，传感器和计算机等设备中的广泛使用以及常规的冰箱磁铁，它们在当今世界中起着重要作用。对在铁磁材料中的应用（即自旋波）中的应用非常希望。如今，大多数计算单元基于电子设备。 然而，由于使用高功率密度和高电压相关的局限性，可能很快就不可能对综合电路进行进一步的小型化。 旋转波的最大优势是它们的非常低的能量，加上微波频率中数百甚至数十纳米的波长，可以设计出比电子设备设计具有明显低于电子设备的纳米级设备的可能性。 在过去的二十年中，科学家特别强调了基本宏伟设备的设计，例如定向耦合器，二极管，晶体管或逻辑门，这些设备可以在宏伟的集成电路中找到应用。 在这些系统中，对元素之间相互作用的控制对于完全利用自旋波性能至关重要。 在本文中，我研究了可以在宏伟系统中找到应用的铁磁多层。 我通过引入磁性开始论文。 接下来是对微磁性的解释，控制磁系统的相互作用，磁化纹理和自旋波，以当前深入研究的宏伟晶体和自旋波计算的主题结论。如今，大多数计算单元基于电子设备。然而，由于使用高功率密度和高电压相关的局限性，可能很快就不可能对综合电路进行进一步的小型化。旋转波的最大优势是它们的非常低的能量，加上微波频率中数百甚至数十纳米的波长，可以设计出比电子设备设计具有明显低于电子设备的纳米级设备的可能性。在过去的二十年中，科学家特别强调了基本宏伟设备的设计，例如定向耦合器，二极管，晶体管或逻辑门，这些设备可以在宏伟的集成电路中找到应用。在这些系统中，对元素之间相互作用的控制对于完全利用自旋波性能至关重要。在本文中，我研究了可以在宏伟系统中找到应用的铁磁多层。我通过引入磁性开始论文。接下来是对微磁性的解释，控制磁系统的相互作用，磁化纹理和自旋波，以当前深入研究的宏伟晶体和自旋波计算的主题结论。然后，我解释了论文中使用的数值方法，并详细介绍了问题的实现。在研究的第一部分中，我展示了如何使用非重点相互作用来设计非相互设备。dzyaloshinskii – moriya的相互作用用于诱导分散关系的不对称性，该分散关系进一步用于设计自旋波二极管和循环器。在第二项研究中，使用偶极相互作用引起的达蒙 - 什场模式的表面特征用于设计一个四端口的设备，该设备可以具有不同的功能（循环器，方向耦合器或反射器），用于不同的激发频率。下一项研究显示了与垂直磁各向异性的dzyaloshinskii – moriya相互作用如何导致忽略1 nm的层之间的相互作用，这可以进一步用于设计密集包装的非交织的不相互作用的波导的系统。在第三部分中，我将专注于使用层之间的相互作用，将材料与磁化纹理和具有良好自旋波传播特性的材料搭配起来，以形成宏伟的晶体。第一个系统是具有弱垂直磁各向异性的层，其中诱导条纹结构域，并与薄或绒布层相互作用。由于
![arXiv:2307.07581v1 [cond-mat.mes-hall] 14 Jul 2023](/simg/g:\will\search\icon\source\3\38b96bc196d009836e04e4a32710258bec8c273f.webp)
arXiv:2307.07581v1 [cond-mat.mes-hall] 14 Jul 2023
超导体是具有零电阻率的材料，并且具有驱逐称为Meissner效应的磁场的能力。他们的无耗散反应对杂志悬浮和量子干扰装置等电路至关重要。在这里，我们使用超导磁性磁性来塑造控制自旋波的传输的磁性环境 - 磁铁有希望的芯片信号载体中的旋转激发 - 在薄膜磁铁中。使用基于钻石的磁成像，我们观察到具有强烈变化的温度低调波长的杂交旋转波 - 硅流电流模式。我们从波长偏移中提取依赖温度的伦敦穿透深度，并使用聚焦激光器实现对自旋波折射的局部控制。我们的结果证明了超导体操纵自旋波传输的多功能性，并在自旋波光栅，滤纸，crys骨和腔体中具有潜在的应用。
BUSINGER, Moritz 等人。固态杂化电子-核自旋中的光学自旋波存储
目前，人们正在研究具有光控的固态杂质自旋，以用于量子网络和中继器。其中，稀土离子掺杂晶体有望成为光的量子存储器，具有潜在的长存储时间、高多模容量和高带宽。然而，对于自旋，通常需要在带宽（有利于电子自旋）和存储时间（有利于核自旋）之间进行权衡。这里，我们展示了使用 171 Yb 3 + ∶ Y 2 SiO 5 中高度杂化的电子-核超精细态进行的光存储实验，其中杂化可以同时提供长存储时间和高带宽。我们达到了 1.2 毫秒的存储时间和 10 MHz 的光存储带宽，目前仅受光控制脉冲的 Rabi 频率限制。在此原理验证演示中的存储效率约为 3%。该实验是首次使用具有电子自旋的任何稀土离子的自旋态进行光存储。这些结果为具有高带宽、长存储时间和高多模容量的稀土基量子存储器铺平了道路，这是量子中继器的关键资源。
超导体/铁磁异质结构
Al 中的自旋寿命。（c）由不同自旋轨道耦合强度参数（b 分别为 0.1、0.02 和 0.005）的隧道磁阻 (TMR) 比推导的自旋寿命的温度依赖性。（d）超连续磁共振涡旋介导的自旋电流示意图。上平面：自旋角动量和超连续磁共振涡旋涡度之间的嬗变。下图：磁性绝缘体 (MI)/SC/MI 结构中通过超连续磁共振涡旋液体进行自旋传输的理论预测。（e）用于探测磁振子和涡旋之间耦合的 Nb/Py 异质结构的器件结构。金电极用作天线来激发和检测 Py 中的磁振子自旋波。（f）归一化的磁振子自旋波传输图与平面外磁场和自旋波频率的关系。两个带隙特征与第一和第二布拉格散射条件吻合得很好。 (bc) 改编自参考文献 [8]，经许可，版权归 Springer Nature 2010 所有。(d) 改编自参考文献 [9]，经许可，版权归 APS 2018 所有。(ef) 改编自参考文献 [41]，经许可，版权归 Springer Nature 2019 所有。
超薄钇铁石榴石薄膜中全石榴石界面 Dzyaloshinskii-Moriya 相互作用引起的手性自旋波速度
1 北京航空航天大学微电子学院费尔特北京研究所，北京 100191 2 瑞士洛桑联邦理工学院材料研究所（IMX）纳米磁性材料与磁子学实验室，洛桑 1015 瑞士 3 科罗拉多州立大学物理系，科罗拉多州柯林斯堡 80523 美国 4 中国科学院大学物理研究所北京凝聚态物理国家实验室，北京 100190 5 北京大学物理学院电子显微镜实验室，北京 100871 6 北京大学物理学院国际量子材料中心，北京 100871 7 南方科技大学深圳量子科学与工程研究院、物理系，深圳 518055 8 量子物质协同创新中心，北京 100871，中国 9 洛桑联邦理工学院（EPFL）工程学院微工程研究所（IMT），洛桑 1015，瑞士