Étude démontre la synchronisation mutuelle à phase réglable des nano-oscillateurs de Hall de spin médiée par les ondes de spin

1 février 2025.

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par Ingrid Fadelli, Phys.org

Les nano-oscillateurs du spin Hall (SHNOs) sont des dispositifs spintroniques à l'échelle nanométrique qui convertissent le courant continu en signaux micro-ondes haute fréquence à travers des auto-oscillations d'ondes de spin. Il s'agit d'une forme d'oscillations de magnétisation non linéaires qui sont auto-entretenues sans besoin de force externe périodique.

Des études théoriques et de simulation ont montré que les modes de spin-wave propagatifs, dans lesquels les ondes de spin se déplacent à travers les matériaux au lieu d'être confinées à la région d'auto-oscillation, peuvent promouvoir le couplage entre les SHNOs.

Ce couplage pourrait ensuite être utilisé pour ajuster la synchronisation des oscillations dans ces dispositifs, ce qui pourrait être avantageux pour le développement de systèmes informatiques neuromorphiques et d'autres dispositifs spintroniques.

Des chercheurs de l'Université de Göteborg en Suède et de l'Université de Tohoku au Japon, dans un article publié dans Nature Physics, ont expérimentalement démontré un tel couplage SHNO-à-SHNO médié par les ondes de spin. Leur étude montre également comment contrôler la synchronisation et la phase de la couplage entre les SHNOs par le biais de la tension.

"Au cours des deux dernières décennies, notre groupe (le Groupe de Spintronique Appliquée de l'Université de Göteborg dirigé par le professeur Johan Åkerman) a travaillé sur les oscillateurs spintroniques, leur synchronisation mutuelle et leurs applications dans des domaines tels que les télécommunications, l'informatique neuromorphique et, plus récemment, les machines Ising," a déclaré Akash Kumar, premier auteur de l'article, à Phys.org.

"L'étude actuelle a été inspirée par la découverte d'ondes de spin propagatives dans les nano-oscillateurs du spin Hall (SHNOs)."

Dans le cadre de recherches antérieures, l'équipe de l'Université de Göteborg a réussi à réaliser des ondes de spin propagatives dans les SHNOs pour la première fois, en utilisant des échantillons minces optimisés du matériau W/CoFeB/MgO.

Cet exploit capital a posé les bases de leur étude actuelle, visant à contrôler dynamiquement la synchronisation mutuelle des SHNOs à l'aide de la physique des ondes de spin, en particulier en transférant des informations de phase entre les oscillateurs.

"Ce contrôle est essentiel pour obtenir un couplage un à un à longue portée entre des paires de SHNOs séparées, ainsi que dans des chaînes plus longues," a déclaré Kumar. "Cela brise la barrière du couplage limité au voisinage le plus proche observée dans les systèmes précédemment démontrés."

Pour mener à bien leurs expériences, Kumar et ses collègues ont utilisé des dispositifs à deux SHNO faciles à fabriquer. S'appuyant sur leurs études précédentes, ils ont été en mesure de démontrer une synchronisation mutuelle entre ces dispositifs, médiée par les ondes de spin propagatives.

"Les SHNOs sont des oscillateurs polyvalents qui présentent une grande non-linéarité en fréquence, peuvent être fabriqués à des tailles aussi petites que 10 nm et sont capables de synchronisation mutuelle dans de longues chaînes unidimensionnelles et des réseaux bidimensionnels," a expliqué Kumar. "Les ondes de spin dans ces dispositifs permettent la transmission d'informations de phase et d'amplitude d'un SHNO à un autre, ce qui était absent dans les démonstrations précédentes."

Les chercheurs ont créé les dispositifs SHNO utilisés dans leurs expériences en utilisant des processus de nano-fabrication courants. Pour obtenir la synchronisation mutuelle souhaitée entre les deux dispositifs, ils ont ajusté soigneusement l'anisotropie magnétique et la séparation entre eux.

"Nous avons d'abord observé la signature de la synchronisation mutuelle accordée en fonction de la phase dans les mesures électriques, où nous avons mesuré la densité spectrale de puissance à l'aide d'analyseurs de spectre haute fréquence," a déclaré Kumar.

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"Pour confirmer nos résultats, nous avons ensuite effectué des mesures de microscopie de diffusion Brillouin résolues en phase (μ-BLS) en utilisant notre installation de pointe, ce qui nous a permis de visualiser directement la phase de chaque oscillateur et de valider notre hypothèse," a déclaré Avinash Kumar Chaurasiya, co-premier auteur de l'étude et responsable des mesures de microscopie.

"Pour valider davantage leurs résultats et confirmer la présence de la synchronisation mutuelle accordée en fonction de la phase entre les oscillateurs, j'ai effectué une série de simulations micromagnétiques," a déclaré l'étudiant diplômé Victor González, également co-premier auteur de l'article. Ces simulations ont confirmé l'hypothèse originale, mettant en avant le potentiel de leur approche pour contrôler le couplage entre les dispositifs SHNO.

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Le transfert d'informations de phase entre les SHNO sera très utile pour un certain nombre d'applications', a déclaré Kumar.

'Avec une mise à l'échelle supplémentaire et un contrôle de tension, ce couplage peut permettre aux dispositifs SHNO d'être utilisés pour les machines Ising, qui sont des accélérateurs de calcul basés sur du matériel d'optimisation combinatoire. Ces machines ont le potentiel de fonctionner à température ambiante et sont vraiment nanoscopiques, ce qui les rend à la fois pratiques et très efficaces.'

Cette récente étude de Kumar et de ses collègues met en évidence la possibilité d'utiliser des ondes de spin se propageant pour contrôler de manière dynamique le couplage entre les SHNO. À l'avenir, cela pourrait ouvrir de nouvelles perspectives passionnantes pour le développement de divers dispositifs spintroniques qui pourraient être mieux équipés pour s'attaquer aux tâches d'optimisation et computationnelles du monde réel.

'Dans le cadre de nos prochaines études, nous prévoyons de mettre à l'échelle le système pour incorporer un grand nombre de SHNO et d'utiliser la modulation de tension pour fournir un contrôle local économe en énergie, à la demande, du couplage', a ajouté Kumar. 'Ces avancées rendront ces dispositifs vraiment fonctionnels pour des applications réelles.'

Plus d'informations: Akash Kumar et al, Synchronisation mutuelle et ajustement de phase médiés par les ondes de spin dans les nano-oscillateurs à effet Hall de spin, Nature Physics (2025). DOI: 10.1038/s41567-024-02728-1.

Informations sur la revue: Nature Physics

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