全自旋邏輯器件在內部和邏輯門層面均採用自旋作為狀態變數來進行信息的處理和傳遞， 該器件利用納磁體的磁化方向表征和存儲信息， 利用自旋電流來傳輸和處理信息， 具有結構簡單、集成密度高、體積小且可持續縮小等優點。
基本介紹
- 中文名：全自旋邏輯器件
- 外文名：All Spin Logic Device
- 所屬學科：自旋電子學
- 特點：非線性、可合併性、完整布爾操作
- 解決的問題：結構統一、注入自旋流效率低
- 原理：自旋流通過自旋耦合軌道
簡介,自旋邏輯器件與全自旋邏輯器件,基本工作原理,特點,需要解決的問題,結構統一,注入自旋流效率低,布爾操作,
簡介
自旋電子器件 (spintronics) 是利用電子的自旋而不是傳統的電子電荷作為狀態變數來處理和存儲信息的新型電子器件，由於電子的自旋極化和輸運只需要非常小的電流來控制，並且自旋反轉是瞬間完成的，所以自旋電子器件具有超低功耗、非易失性、能持續縮小等優點，這些特點使自旋電子器件有可能成為未來納電子器件的重要候選者。但傳統的自旋電子器件只是利用自旋作為內部變數，在邏輯門層面依然採用電子電荷作為狀態變數，因此需要附加硬體結構來進行自旋信息與電荷信息間的不斷轉換，部分抵消了自旋作為狀態變數進行邏輯運算的優勢，同時也增加了器件電路的複雜度和功耗。全自旋邏輯器件在內部和邏輯門層面均採用自旋作為狀態變數來進行信息的處理和傳遞，該器件利用納磁體的磁化方向表征和存儲信息，利用自旋電流來傳輸和處理信息，具有結構簡單、集成密度高、體積小且可持續縮小等優點。
自旋邏輯器件與全自旋邏輯器件
對比過去的自旋邏輯器件和當今的自旋邏輯器件，有著共同的特點以及不同的工作原理。共同之處在於都利用的是非本地的自旋信號，而且都是由流產生場，進而攜帶著所需要的信息進行存儲。但是二者之間的差異也是相當明顯的，過去的邏輯器件採用放大非本地自旋電流加上安培磁場從而翻轉磁性進行存儲，現在提出新的策略，那就是直接利用這種非本地自旋電流去翻轉，交流信號通過輸入和輸出磁鐵之間非相鄰的選擇性路線進行傳遞。
基本工作原理
這種全自旋邏輯器件的基本工作原理如下：利用自旋矩效應翻轉磁場，輸入磁鐵產生一個自旋流通過自旋耦合軌道（spin-coherent channel）到達預定位置，最終決定輸出磁鐵的最終狀態。
在這個過程中我們要關注能量和信息的來源、去向以及傳遞這些能量和信息的方法，有兩種不同的策略：
一是輸入磁鐵提供信息，電壓提供能量，二者通過自旋流傳遞；
二是輸入磁鐵通過自旋流提供信息，電壓提供能量。當負壓降注入平行的自旋流時，輸出磁鐵以及輸入磁鐵成平行關係；而正壓降注入平行態自旋流時，當負壓降注入平行的自旋流時，輸出磁鐵以及輸出磁鐵的磁性成反平行關係。
特點
全自旋邏輯器件有以下五大特點：
concatenability可合併性：相同的結構之間能夠進行自由組合；
non-linearly非線性：僅僅具有平行與反平行的這兩種狀態，對應數字電路中的0,1；
feedback elimination反饋抑制：輸入輸出不可逆；
gain獲得：能量來源於外界激勵，power supply；
a complete set of Boolean operations一套完整的布爾操作，由於是邏輯器件，就需要完成一定的邏輯運算功能。
需要解決的問題
結構統一
基於這種工作原理的全自旋邏輯器件，科學家們希望在結構上能夠得到統一。
典型情況下，輸入磁鐵的磁性是固定的狀態，而輸出磁鐵是自由狀態；該階段輸出需要作為下一階段的輸入，所以在結構上統一就可以更加方便地達到這個目的，但是與此同時，又希望這個輸入-輸出的過程是不可逆的（無反饋）。於是，提出了兩種解決辦法，一是，針對輸入的過程，增強自旋注入的隧穿界面，可以考慮利用一些注入半導體/金屬的材料，針對輸出的過程，需要低阻界面去抑制後注入的自旋流（back-injection of spins）；或者在隧道中採用更小的信號來抑制反饋。
注入自旋流效率低
另外就是注入自旋流效率低的問題。自旋流從鐵磁結構注入半導體效率低，可以採用注入更大的自旋流以達到自旋積累來克服效率低的問題；或是利用較低的自旋積累——（轉移信號）transfer signal。這是一種非常前沿的概念，過去，在平行和反平行兩種狀態之間轉換，就需要跨越能量勢壘，現在，我們將輸出磁鐵置於高能量狀態，在能量上來看正是處在勢壘最高點，transfer signal使其有向平行或反平行傾斜的趨勢。給固定層施加電壓能量來源）將輸出的磁鐵置於高能狀態，積累固定層磁性方向的自旋，這給輸出磁鐵施加了非本地的自旋矩置於高能狀態。在仿真當中，科學家驗證了這種方法的可行性，另外他們發現相同數量的翻轉磁性的自旋矩也可以做到這一點，在有熱擾動以及其他非理想因素的情況下，在軌道中需要產生矩作用在輸出磁鐵上的transfer signal 只需要翻轉磁性矩的十分之一，因為僅僅需要提供一個偏置。在這個過程中，有兩個場需要克服，存在於薄層界面的單軸場令磁性更傾向於兩種固定狀態，而面外的消磁場，則傾向於保持面內磁性，難以置於高能量的中間狀態，所以抑制這兩種場可以有效降低翻轉電壓/電流。
布爾操作
對於設計一套完整的布爾操作問題，科學家們首先從與或門入手，發射狀態中，A門偏置電壓給輸入磁鐵，傳輸transfer signal給輸出磁鐵，接收狀態中，A門電壓施加給輸出結構，置於高能中間狀態，做好接收信息的準備，最終狀態取決於輸入磁鐵發射過來的transfer signal，等待狀態中無電壓。再根據上文中所提及的全自旋邏輯器件基本工作原理，就能夠得到與或門結構。偏置電壓的極性決定了是正相（COPY），還是反相（NOT），這樣我們就可以利用這些基礎的邏輯器件去拼接成其他的邏輯器件。
