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凝聚态物理 > 中尺度与纳米尺度物理

arXiv:2411.13061 (cond-mat)
[提交于 2024年11月20日 ]

标题: 基于磁斯格明子的RC电路

标题: RC circuit based on magnetic skyrmions

Authors:Ismael Ribeiro de Assis, Ingrid Mertig, Börge Göbel
摘要: 自旋磁涡是纳米尺寸的磁漩涡,由于其固有的稳定性,对于自旋电子学应用具有吸引力。 它们可以模拟各种自旋电子学和电子器件的特征行为,如自旋转移纳米振荡器、人工神经元和突触、逻辑器件、二极管和棘轮。 在此,我们展示自旋磁涡可以在纳秒时间尺度上模拟由电阻器和电容器组成的基本电路RC电路的物理特性。 在二次能量景观中由电流驱动的自旋磁涡的运动方程在数学上等价于描述RC电路的微分方程:施加的电流类似于施加的输入电压,而自旋磁涡的位置类似于电容器上的输出电压。 这些预测通过微观磁性模拟得到了验证。 我们展示了这种自旋磁涡系统在恒定输入下对电容器进行充电和放电时能够再现特征性的指数电压衰减。 此外,它通过过滤周期性输入信号中的高频成分来模拟RC电路的低通滤波行为。 由于RC电路在数学上等价于广泛用于描述生物神经元的漏电积分-发放(LIF)模型,我们的器件概念也可以被视为一个完美的人工LIF神经元。
摘要: Skyrmions are nano-sized magnetic whirls attractive for spintronic applications due to their innate stability. They can emulate the characteristic behavior of various spintronic and electronic devices such as spin-torque nano-oscillators, artificial neurons and synapses, logic devices, diodes, and ratchets. Here, we show that skyrmions can emulate the physics of an RC circuit, the fundamental electric circuit composed of a resistor and a capacitor, on the nanosecond time scale. The equation of motion of a current-driven skyrmion in a quadratic energy landscape is mathematically equivalent to the differential equation characterizing an RC circuit: the applied current resembles the applied input voltage, and the skyrmion position resembles the output voltage at the capacitor. These predictions are confirmed via micromagnetic simulations. We show that such a skyrmion system reproduces the characteristic exponential voltage decay upon charging and discharging the capacitor under constant input. Furthermore, it mimics the low-pass filter behavior of RC circuits by filtering high-frequencies in periodic input signals. Since RC circuits are mathematically equivalent to the Leaky-Integrate-Fire (LIF) model widely used to describe biological neurons, our device concept can also be regarded as a perfect artificial LIF neuron.
评论: 玛丽·斯克沃多夫斯卡-居里行动,H2020-MSCA-ITN-2020;项目缩写SPEAR;资助协议编号955671
主题: 中尺度与纳米尺度物理 (cond-mat.mes-hall)
引用方式: arXiv:2411.13061 [cond-mat.mes-hall]
  (或者 arXiv:2411.13061v1 [cond-mat.mes-hall] 对于此版本)
  https://doi.org/10.48550/arXiv.2411.13061
通过 DataCite 发表的 arXiv DOI

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来自: Ismael Ribeiro de Assis [查看电子邮件]
[v1] 星期三, 2024 年 11 月 20 日 06:15:37 UTC (7,313 KB)
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