Die Studie zeigt die phasensteuerbare spin-Wellen-vermittelte gegenseitige Synchronisation von Spin-Hall-Nano-Oszillatoren.

1. Februar 2025 Eigenschaften

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von Ingrid Fadelli, Phys.org

Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs) sind nanoskalige spintronische Geräte, die Gleichstrom in hochfrequente Mikrowellensignale durch Selbstoszillation von Spinwellen umwandeln. Dies ist eine Art nichtlinearer Magnetisationsoszillationen, die eigenständig erhalten bleibt, ohne die Notwendigkeit einer periodischen externen Kraft.

Theoretische und simulationsgestützte Studien fanden heraus, dass sich sich bewegende Spin-Wellen-Modi, bei denen Spin-Wellen über Materialien hinweg bewegt werden, anstelle auf den Bereich der Selbstoszillation beschränkt zu sein, die Kopplung zwischen SHNOs fördern können.

Diese Kopplung kann wiederum genutzt werden, um die zeitliche Abstimmung von Oszillationen in diesen Geräten anzupassen, was für die Entwicklung von neuromorphen Rechensystemen und anderen spintronischen Geräten vorteilhaft sein könnte.

Forscher der Universität Göteborg in Schweden und der Tohoku-Universität in Japan haben in einem in Nature Physics veröffentlichten Artikel experimentell gezeigt, wie Spin-Wellen-vermittelte SHNO-zu-SHNO-Kopplung erfolgt. Ihre Studie zeigt auch, wie die Timing- und Phasensteuerung der Kopplung zwischen den SHNOs durch Spannungssteuerung erreicht werden kann.

"In den letzten beiden Jahrzehnten hat unsere Gruppe (die Angewandte Spintronik-Gruppe an der Universität Göteborg unter der Leitung von Prof. Johan Åkerman) an spintronischen Oszillatoren gearbeitet, ihrer gegenseitigen Synchronisation und Anwendungen in Bereichen wie Telekommunikation, neuromorphes Computing und, zuletzt, Ising-Maschinen", sagte Akash Kumar, Erstautor der Studie, gegenüber Phys.org.

"Die vorliegende Studie wurde durch die Entdeckung von sich ausbreitenden Spin-Wellen in Spin Hall Nano-Oszillatoren (SHNOs) inspiriert."

Im Rahmen früherer Forschungen konnte das Team an der Universität Göteborg erstmals sich ausbreitende Spin-Wellen in SHNOs realisieren, indem optimierte Dünnschichtproben des Materials W/CoFeB/MgO verwendet wurden.

Dieser entscheidende Durchbruch legte den Grundstein für ihre aktuelle Studie, die darauf abzielte, die gegenseitige Synchronisation von SHNOs dynamisch zu steuern und die Phaseninformation zwischen den Oszillatoren zu übertragen.

"Eine solche Steuerung ist entscheidend für die Erreichung einer weitreichenden, eins-zu-eins-Kopplung zwischen separierten SHNO-Paaren sowie in längeren Ketten", sagte Kumar. "Dies überwindet die Begrenzung der Nachbar-Nachbar-Kopplung, die in zuvor demonstrierten Systemen gesehen wurde."

Um ihre Experimente durchzuführen, verwendeten Kumar und seine Kollegen Vorrichtungen mit zwei SHNO, die einfach herzustellen sind. Aufbauend auf ihren früheren Studien konnten sie eine gegenseitige Synchronisation zwischen diesen Geräten nachweisen, die durch sich ausbreitende Spin-Wellen vermittelt wurde.

"SHNOs sind vielseitige Oszillatoren, die eine große Frequenz-Nichtlinearität aufweisen, in Größen von bis zu 10 nm hergestellt werden können und in der Lage sind, eine gegenseitige Synchronisation in großen eindimensionalen Ketten und zweidimensionalen Arrays zu erreichen", erklärte Kumar. "Die Spin-Wellen in diesen Geräten ermöglichen die Übertragung von Phasen- und Amplitudeninformationen von einem SHNO zum anderen, was in früheren Vorführungen nicht vorhanden war."

Die Forscher erstellten die SHNO-Geräte, die sie in ihren Experimenten verwendeten, unter Verwendung gängiger Nanofertigungsprozesse. Um eine gewünschte gegenseitige Synchronisation zwischen den beiden Geräten zu erreichen, stimmten sie die magnetische Anisotropie und die Trennung zwischen ihnen sorgfältig ab.

"Wir haben zunächst die Signatur der phasengesteuerten gegenseitigen Synchronisation in elektrischen Messungen beobachtet, bei denen wir die Leistungsdichtespektren mit Hochfrequenzspektrumanalysatoren gemessen haben", sagte Kumar.

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"Um unsere Ergebnisse zu bestätigen, haben wir dann phasenaufgelöste Brillouin-Lichtstreuungs-Mikroskopiemessungen mit unserer hochmodernen Einrichtung durchgeführt, die uns ermöglichte, die Phase jedes Oszillators direkt zu visualisieren und unsere Hypothese zu validieren", sagte Avinash Kumar Chaurasiya, ein gemeinsam erster Autor der Studie und verantwortlich für die Mikroskopiemessungen.

"Um ihre Ergebnisse weiter zu validieren und das Vorhandensein einer phasengesteuerten gegenseitigen Synchronisation zwischen den Oszillatoren zu bestätigen, habe ich eine Reihe von Mikromagnetiksimulationen durchgeführt", sagte Doktorand Victor González, ebenfalls gemeinsam erster Autor der Studie. Diese Simulationen bestätigten die ursprüngliche Hypothese und zeigten das Potenzial ihres Ansatzes zur Steuerung der Kopplung zwischen SHNO-Geräten auf.

„Der Transfer von Phaseninformationen zwischen SHNOs wird für eine Vielzahl von Anwendungen äußerst nützlich sein“, sagte Kumar.

„Mit weiterer Skalierung und Spannungssteuerung kann diese Kopplung dazu führen, dass SHNO-Geräte für Ising-Maschinen genutzt werden können, die hardwarebasierte Berechnungsbeschleuniger für kombinatorische Optimierung sind. Diese Maschinen haben das Potenzial, bei Raumtemperatur zu arbeiten und sind wirklich nanoskopisch, was sie sowohl praktisch als auch äußerst effizient macht.“

Diese jüngste Studie von Kumar und seinen Kollegen verdeutlicht die Möglichkeit, sich vorwärtsbewegende Spinwellen zu nutzen, um die Kopplung zwischen SHNOs dynamisch zu kontrollieren. In Zukunft könnte dies neue spannende Möglichkeiten für die Entwicklung verschiedener spintromischer Geräte eröffnen, die besser geeignet sind, reale Optimierungs- und Rechenaufgaben zu bewältigen.

„Im Rahmen unserer nächsten Studien planen wir, das System zu skalieren, um eine große Anzahl von SHNOs einzubeziehen und die Spannungsgatterung zu verwenden, um eine energieeffiziente, bedarfsorientierte lokale Steuerung der Kopplung zu ermöglichen“, fügte Kumar hinzu. „Diese Fortschritte werden diese Geräte zu wirklich funktionalen Lösungen für reale Anwendungen machen.“

Weitere Informationen: Akash Kumar et al, Spin-wave-mediated mutual synchronization and phase tuning in spin Hall nano-oscillators, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02728-1.

Journal-Informationen: Nature Physics

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