Estudio demuestra la sincronización mutua mediada por ondas de espín ajustables en fase de nano-osciladores de efecto Hall de espín

1 de febrero de 2025

Este artículo ha sido revisado de acuerdo con el proceso editorial y políticas de Science X's. Los editores han destacado los siguientes atributos mientras aseguran la credibilidad del contenido:

verificado por hechos

publicación revisada por pares

fuente confiable

corregido de pruebas

por Ingrid Fadelli, Phys.org

Los nano-osciladores de Hall de Espín (SHNOs) son dispositivos espintrónicos a escala nanométrica que convierten la corriente continua en señales de microondas de alta frecuencia a través de auto-oscilaciones de ondas de espín. Este es un tipo de oscilaciones de magnetización no lineales que se mantienen por sí mismas sin la necesidad de una fuerza externa periódica.

Estudios teóricos y de simulación encontraron que los modos de onda de espín en propagación, en los cuales las ondas de espín se mueven a través de materiales en lugar de estar confinadas a la región de auto-oscilación, pueden promover el acoplamiento entre SHNOs.

Este acoplamiento a su vez puede ser aprovechado para ajustar el tiempo de las oscilaciones en estos dispositivos, lo cual podría ser beneficioso para el desarrollo de sistemas informáticos neuromórficos y otros dispositivos espintrónicos.

Investigadores de la Universidad de Gotemburgo en Suecia y la Universidad de Tohoku en Japón, en un artículo publicado en Nature Physics, han demostrado experimentalmente un acoplamiento SHNO-to-SHNO mediado por ondas de espín. Su estudio también muestra cómo lograr el control de voltaje del tiempo y la fase del acoplamiento entre los SHNOs.

"Durante las últimas dos décadas, nuestro grupo (el Grupo de Espintrónica Aplicada en la Universidad de Gotemburgo liderado por el Prof. Johan Åkerman) ha estado trabajando en osciladores espintrónicos, su sincronización mutua y aplicaciones en campos como las telecomunicaciones, la computación neuromórfica y, más recientemente, las máquinas de Ising," dijo Akash Kumar, primer autor del artículo, a Phys.org.

"El presente estudio fue inspirado por el descubrimiento de ondas de espín en propagación en los nano-osciladores de Hall de Espín (SHNOs)."

Como parte de investigaciones anteriores, el equipo de la Universidad de Gotemburgo logró realizar ondas de espín en propagación en SHNOs por primera vez, utilizando muestras de película delgada optimizadas del material W/CoFeB/MgO.

Este logro crucial sentó las bases para su estudio actual, el cual estaba dirigido a controlar dinámicamente la sincronización mutua de los SHNOs utilizando la física de las ondas de espín, específicamente transferir información de fase entre los osciladores.

"Este control es esencial para lograr un acoplamiento uno a uno a larga distancia entre pares de SHNO separados, así como en cadenas más largas," dijo Kumar. "Esto rompe la barrera de acoplamiento limitado a vecinos más cercanos visto en sistemas previamente demostrados."

Para llevar a cabo sus experimentos, Kumar y sus colegas utilizaron dispositivos con dos SHNO que son fáciles de fabricar. Basándose en sus estudios anteriores, pudieron demostrar una sincronización mutua entre estos dispositivos, la cual fue mediada por ondas de espín en propagación.

"Los SHNOs son osciladores versátiles que muestran una gran no linealidad de frecuencia, pueden fabricarse en tamaños tan pequeños como 10 nm y son capaces de sincronización mutua en cadenas unidimensionales y arreglos bidimensionales," explicó Kumar. "Las ondas de espín en estos dispositivos permiten la transmisión de información de fase y amplitud de un SHNO a otro, lo cual estaba ausente en demostraciones previas."

Los investigadores crearon los dispositivos SHNO utilizados en sus experimentos empleando procesos comunes de nano-fabricación. Para lograr la sincronización mutua deseada entre los dos dispositivos, ajustaron cuidadosamente la anisotropía magnética y la separación entre ellos.

"Primero observamos la firma de la sincronización mutua sintonizada en mediciones eléctricas, donde medimos la densidad espectral de potencia usando analizadores de espectro de alta frecuencia," dijo Kumar.

Descubre lo último en ciencia, tecnología y espacio con más de 100,000 suscriptores que confían en Phys.org para obtener información diaria. Regístrate para recibir nuestro boletín gratuito y obtener actualizaciones sobre avances, innovaciones e investigaciones importantes, ya sea diaria o semanalmente.

"Para confirmar nuestros hallazgos, luego realizamos mediciones de microscopía de dispersión de luz Brillouin resueltas en fase (μ-BLS) utilizando nuestra instalación de vanguardia, lo que nos permitió visualizar directamente la fase de cada oscilador y validar nuestra hipótesis," dijo Avinash Kumar Chaurasiya, coautor del estudio y responsable de las mediciones de microscopía.

"Para validar aún más sus resultados y confirmar la presencia de una sincronización mutua sintonizada en fase entre los osciladores, realicé una serie de simulaciones micromagnéticas," dijo el estudiante de posgrado Victor González, también coautor del artículo. Estas simulaciones confirmaron la hipótesis original, resaltando el potencial de su enfoque para controlar el acoplamiento entre los dispositivos SHNO.

"La transferencia de información de fase entre SHNOs será muy útil para varias aplicaciones," dijo Kumar. "Con una mayor escalabilidad y control de voltaje, este acoplamiento puede permitir que los dispositivos SHNO se utilicen para máquinas de Ising, que son aceleradores de cálculo basados en hardware de optimización combinatoria. Estas máquinas tienen el potencial de funcionar a temperatura ambiente y son verdaderamente nanoscópicas en tamaño, lo que las hace tanto prácticas como altamente eficientes." Este estudio reciente realizado por Kumar y sus colegas destaca la posibilidad de aprovechar las ondas de espín propagantes para controlar dinámicamente el acoplamiento entre SHNOs. En el futuro, podría abrir nuevas posibilidades emocionantes para el desarrollo de diversos dispositivos espintrónicos que podrían estar mejor equipados para abordar tareas de optimización y computacionales del mundo real. "Como parte de nuestros próximos estudios, planeamos escalar el sistema para incorporar un gran número de SHNOs y utilizar la modulación de voltaje para proporcionar un control local eficiente en energía y bajo demanda del acoplamiento," agregó Kumar. "Estos avances harán que estos dispositivos sean verdaderamente funcionales para aplicaciones del mundo real." Más información: 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. Información del diario: Nature Physics © 2025 Science X Network