钛金属多层材料中的天空母体操控与逻辑门功能
材料科学
2025-09-09 v1
摘要
由于其拓扑稳定性和高效性，磁性天空母体（skyrmion）是自旋电子器器件中信息载体的有力候选人。为促进其实际应用，必须深入了解其核化及电流驱动动力学。我们研究了在PdFe/Ir(111)多层材料的200 nm×200 nm²，厚度为1 nm的方形纳米结构中，施加时长为纳秒级电流脉冲（幅度为(1-5)×10¹¹ A/m²）后的天空母体形成与操控。利用微磁动力学仿真，我们展示了在不同类型的自旋传递扭矩（spin-transfer torque, STT）下对天空母体的受控运动。计算得到的PdFe/Ir(111)多层材料的斯隆茨威类型STT的天空母体洞角（skyrmion Hall angle, SkH）为θ_{SkH}^{SL} = 89.53°，确保天空母体在纳米结构中沿边缘积聚，如同轨道一般，我们进一步通过调节电流脉冲的幅度和方向，对4d过渡金属多层材料中的天空母体进行不同形状的工程化设计。接下来，我们研究了在外部磁场B_{ext} = 2 T（电压控制磁各向异性为(1.4-4.2)×10⁶ J/m³）和B_{ext} = 3 T（电压控制磁各向异性为(0-2.8)×10⁶ J/m³）条件下，对天空母体动力学的影响，以设计磁各向异性工程化障碍来引导其轨迹于PdFe/Ir(111)多层材料中。我们进一步利用这些障碍实现基本的逻辑运算，包括OR门和AND门，天空母体代表二进制状态。张-李类型STT在PdFe/Ir(111)多层材料中的计算天空母体洞角为θ_{SkH}^{ZL} = 3.26°。因此，天空母体主要沿应用电流方向传播，偏转最小，这一特征使其在逻辑运算中高度适用。
引用
@article{arxiv.2509.05951,
title = {Skyrmion manipulation and logic gate functionality in transition metal multilayers},
author = {Tamali Mukherjee and V Satya Narayana Murthy and Banasree Sadhukhan},
journal= {arXiv preprint arXiv:2509.05951},
year = {2025}
}