Geniş bantlı ve ultradüşük güç tüketen skyrmion temelli spintronik aygıt ve devrelerin mikromanyetik modellenmesi ve ispatlanması

Mikroelektronik aygıt ölçeklendirme iki ana sorunla karşı karşıyadır: bellek darboğazı ve güç tüketimi. Bu sorunları gidermek amacıyla, bilgiyi spinlere kodlayan bellek içi hesaplama önerildi. Spinlerin kullanılması, bilgiyi depolayan mantık uygulaması ve veri işlemeye izin verir. Nano ölçekli, topolojik olarak korunan, kiral ve yüzey spin yapıları olan Skyrmion'lar bu işlevler için kullanılabilir. Skyrmion'lar, yük veya spin akımlarıyla çalıştırılabilir ve dış manyetik alan gürültülerine ve termal gürültüye karşı kararlıdır. Skyrmion'ları stabilize eden manyetik filmler kullanılarak, geleneksel mikroelektroniğe göre güç tüketimi on binlerce kata kadar azaltılabilir. Skyrmion başlatma, algılama ve manipülasyona ilişkin deneysel çalışmalar ve teorik araştırmalardaki ilerlemeye rağmen, skyrmion'ları gelecek vaat eden dijital mantık uygulamaları için kullanmak bugüne kadar gösterilememiştir. Skyrmion mantık işlemeye dayalı yeni cihaz tasarımları ve bunların cihaz fiziğinin araştırılması gereklidir. Bu tezde, bir skyrmion saat üreteci ve çoğaltıcı, bağlantı ve saptırıcı gibi temel bağlantı bloklarını içeren kapsamlı bir skyrmion mantık devresi sistemi tasarladık. Daha sonra AND, OR, inverter, NAND, NOR, XOR ve XNOR kapılarının tüm mantık devreleri tasarlanmış ve hesaplamalı mikromanyetik ile işlevsellikleri doğrulanmıştır. Her bir blok; enerji tüketimleri, Joule ısınması, gecikme, bant genişliği, basamaklandırılabilirlik, termal gürültüye ve harici manyetik alanlara karşı kararlılık ve ayrıca işlevsel hassasiyetleri geometrik (yan duvar pürüzlülüğü, çentik boyutu, kanal genişliği), malzeme (Gilbert sönümleme, spin transfer torklarının adyabatiksizliği) ve sıcaklık değişkenlikleri açısından kapsamlı incelenmiştir. Tümleşik ultra geniş bant spintronik devreler için, skyrmion'ların yük akımları ile üretilmesi ve ilerletilebilmesi gerekir. Spin-polarize doğru akım kullanarak 114 MHz'den 21 GHz'e kadar periyodik skyrmion'lar oluşturmak için bir skyrmion başlatma ve kontrollü üretim aygıtı sunuyoruz. Mikromanyetik simülasyonlarda, skyrmion üretim frekanslarının, DC akım yoğunluğunu değiştirerek yedi oktavdan fazla frekans üzerinden tersinir olarak kontrol edilebileceğini gösteriyoruz. Böylece kalıcı ve akımla çalışan bir dijital kaynak hazırlanmıştır. İnvertör, spin polarize akım darbeleriyle sürülebilir, geniş bant, düşük enerji tüketimi (oda sıcaklığında ~1350 kBT/bit), az yer kaplama (~300 nm), dış manyetik alanlara ihtiyaç duymaması, basamaklandırılabilirlik ve alttaşın termal iletimi sayesinde oda sıcaklığında termal kararlılık gösterilmiştir. Joule ısıtmasını ortadan kaldırmak için manyetik yalıtkanların kullanılması, güç tüketiminin 1000 ila 10000 kat daha azaltılabileceğine dair ipuçları verir. Bu analizler, invertör bloğunun, yüklenme veya termal sürüklenme etkileri olmaksızın daha büyük dijital spintronik devrelerde kullanılabileceğini göstermektedir. Dijital bir toplayıcı devresi için bir bit dilim devresi sunulmaktadır. Bu devre prensipte daha fazla sayıda bit için ölçeklendirilebilir. Bu skyrmion mantık devresi tasarımları, elektronik tasarım otomasyon iş akışlarına entegre edilebileceğinden, skyrmion sinyallerinin döşemeli bir geometri ile emülasyonu için yeni bir protokol tasarlanmıştır. Çalışma, mikromanyetik modellemenin farklı öğelerini, otomatik simülasyon komut dosyası geliştirme için bir Python paketini ve bir blok kümeleri kitaplığını içeren kapsamlı bir emülatör, simülasyon yazılımı ve emülatörün kullanıcı dostu web tabanlı bir sürümü geliştirilmiş ve sunulmuştur. Bu çalışmada elde edilen bulgular, skyrmionların bellek içi hesaplama için yeni bir ultra düşük güç ve ultra geniş bantlı dijital skyrmion uygulamalarının önünü açan bir dönüm noktasına ulaştığını göstermektedir.