源自软磁畴段的布洛赫线链行为研究

作者: 中科院物理所

来源: 中国物理学会期刊网

发布日期: 2017-06-20 10:55:55

本文介绍了1991年在苏格兰举行的国际磁学会议上,中国科学家在《石榴石磁泡薄膜中硬磁畴垂直布洛赫线链的行为》一文中取得的成就,以及这项研究如何终结了布洛赫线存储器的研制。文章还详细描述了磁泡存储器的发展历程,包括其提出的背景、技术进步、面临的挑战以及最终被放弃的原因。此外,文章还提到了中国科学院物理研究所在布洛赫线链行为研究方面的贡献,以及他们在磁泡存储器温度稳定性和容量极限方面的研究成果。

1991年,在苏格兰Edinburg举行的国际磁学会议International Conference on Magnetism (ICM’91)上,国际磁学和磁性材料杂志J. Mag. Mag. Mater.宣布了即将出版的第一百纪念卷邀请评论的名单。

在这由当时国际上“磁学各个领域的领先科学家”撰写的32篇邀请评论文章中,《石榴石磁泡薄膜中硬磁畴垂直布洛赫线链的行为》一文为“China”占了一席之地。该文所介绍的研究工作成果实际上终结了当时国际上布洛赫线存储器的研制,因而也终结了以美国贝尔实验室Bobeck开创的磁泡存储器和日本九州大学小西进提出的布洛赫线存储器方案为标志的20世纪下半叶连续25年研制固态磁存储器的努力。

1967年,贝尔实验室的Bobeck提出了固态磁泡存储器的方案,即用磁泡的“有”、“无”来体现信息的“1”、“0”。由于磁泡是圆柱形的磁荷极子,因而能够在外设磁性图型的安排下产生、移动、检出、复制和消灭,从而实现信息的写入、传输和读出。磁泡存储器方案在当时轰动了国际磁学界。

后来研制出了液相外延单晶石榴石磁泡薄膜材料,使得磁泡存储器可以采用半导体平面工艺来制作,而且远景是可以制得16 Mb/cm²的单芯片器件。别看这个存储密度和容量微不足道,但在上世纪60年代半导体存储器件只有几十Kb时是了不起的。再加上电存取,磁存储器固有的信息非易失性和耐恶劣环境,因而国际磁学界和微电子界很快掀起了研制磁泡存储器的热潮。

在研制磁泡存储器的全盛时期,国际上三大磁学会议(美国MMM,INTERMAG和ICM)上竟有高达40%的论文属于磁泡材料、器件、物理和计算机模拟。在很多年里,磁泡一直是热门,也生产出了存储密度为4 Mb/cm²,容量为4 Mb的单芯片磁泡存储器产品,但终因其极限密度低(16 Mb/cm²),在半导体快速发展的强烈竞争下于80年代初被放弃。

然而单晶磁泡薄膜是透明而完美的,磁泡是美丽而又能运动的,所以在学习物理,阐述铁磁学的基础(即铁磁体的自由能和铁磁畴理论)方面磁泡具有永远的魅力。

实际上,中国科学院物理研究所(以下简称物理所)的布洛赫线(VBL)链行为研究是在一台自制的简单装置上完成的。1970年代初,磁泡组要建立磁泡测量实验室为磁泡薄膜研制配套,主要任务是建立磁泡测量装置。

当时手头只有普通的偏光显微镜,要从设计、制图、工厂加工开始,改装显微镜,绕制Helmholtz线圈组建立Hb系统,用ϕ=0.1 mm漆包线绕制内径为1 mm的10圈扁平小线圈,并制作样品架建立Hp系统,还自制了照明用的氙灯光源。然而,图2(a)的旧装置虽然外观简陋,但内在质量高,好用。

1980年代初,就在磁泡存储器走下坡被放弃之时,1983年日本九州大学小西进提出了“超高密度”布洛赫线存储器方案,即把磁泡拉长为条状畴,以其畴壁中的一对(两根)负布洛赫线作为信息的载体,有无“负布洛赫线对”就是“1”和“0”。由于布洛赫线非常窄,同种磁泡材料的布洛赫线存储器密度比相应磁泡存储器提高30—100倍,因而单芯片布洛赫线存储器的容量就能达到Gb量级。

这在当时又轰动了国际磁学界,日本、德国、法国等国马上响应,掀起又一轮研制高潮。

1985年,“磁泡和磁畴畴壁物理的研究”课题组在物理所从C类组升级为B类组,1986年更升级为A类组。一些年后,终于以研究所的A类组融入了物理所“磁学国家重点实验室”。“七五”期间,布洛赫线链行为的机理研究取得一系列的成果,最重要的是下面两项:一是布洛赫线存储器的温度稳定性。

在磁泡薄膜的各类硬磁畴中,选择畴壁中布洛赫线数与其缩灭场呈单调依赖关系的硬磁泡作为研究对象。令Hb=0,使之伸长为条状畴,用其畴壁中自然存在的布洛赫线链作为布洛赫线存储器中满载信息的次环的模拟,进行温度实验。该研究导致了布洛赫线链解体临界温度T0的发现,以及发现同种磁泡薄膜的T0比其居里温度TC低30—50℃,也就是说,当布洛赫线不存在了,磁泡依然存在。

实际上T0和TC分别是布洛赫线存储器和磁泡存储器操作温度的绝对上限,因此布洛赫线存储器的温度稳定性比相应的磁泡存储器差很多。此外,还发现了软畴段壁中布洛赫线不能再激发的临界温度T02,而T02总小于T0,这使布洛赫线存储器操作温度的绝对上限比T0更低。该论文被1988年巴黎国际磁学会议(ICM’88)接纳为邀请报告。

二是我们关心布洛赫线存储器的容量极限,即布洛赫线存储器的次环中到底能容纳多少负布洛赫线对?布洛赫线存储器方案实际上隐含了一个前提,即次环环形畴壁中可以无条件地注入2n根负布洛赫线而不改变其静态特性。这可能吗?在上面第6节中,介绍了从H图形出发的单次和系列脉冲实验,结果表明,正是磁泡畴壁中激发的布洛赫线数目的增加导致了从硬磁泡到哑铃畴的转变。

在“七五”期间,还发现哑铃畴有两类:一类是能收缩为圆形泡的,它们的缩灭场反而比硬磁泡的最大缩灭场(H0)max小,而且其畴壁中的布洛赫线越多,缩灭场越小;另一类是有更多的布洛赫线,不能缩成圆形泡,但随Hb增加会缩短,然后在一个很窄的Hb范围内以哑铃状崩灭。

其后我们设计了一个“锻炼”实验,证明了第一类哑铃畴(ID)的存在,从而提出了石榴石磁泡薄膜硬磁畴应该分为普通硬磁泡(OHB)、第一类哑铃畴(ID)、第二类哑铃畴(IID)三类的新分类法。新分类法实质是揭示了磁泡畴壁中布洛赫线数逐步增加时,其静态特性大变,软磁泡依次变为OHB,ID和IID,因此,布洛赫线存储器用条状畴环形畴壁作信息存储次环的方案行不通。

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