Lo studio dimostra la sincronizzazione reciproca mediata da onde di spin regolabili in fase degli oscillatori nano-spin Hall

1 febbraio 2025 caratteristica

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di Ingrid Fadelli, Phys.org

Gli oscillatori nano del Hall dello Spin (SHNO) sono dispositivi spintronici nano che convertono la corrente continua in segnali di microonde ad alta frequenza attraverso auto-oscillazioni delle onde di spin. Questo è un tipo di oscillazioni non lineari della magnetizzazione che sono auto-sostenute senza la necessità di una forza esterna periodica.

Studi teorici e di simulazione hanno scoperto che le modalità di propagazione delle onde di spin, in cui le onde di spin si muovono attraverso i materiali anziché essere confinate alla regione di auto-oscillazione, possono favorire il accoppiamento tra SHNO.

Questo accoppiamento potrebbe a sua volta essere sfruttato per regolare il timing delle oscillazioni in questi dispositivi, il che potrebbe essere vantaggioso per lo sviluppo di sistemi di calcolo neuromorfico e altri dispositivi spintronici.

Ricercatori dell'Università di Göteborg in Svezia e dell'Università di Tohoku in Giappone, in un articolo pubblicato su Nature Physics, hanno dimostrato sperimentalmente tale accoppiamento mediato da onde di spin tra SHNO. Il loro studio mostra anche come raggiungere il controllo di tensione sul timing e sulla fase dell'accoppiamento tra gli SHNO.

'Negli ultimi due decenni, il nostro gruppo (il Gruppo Spintronica Applicata dell'Università di Göteborg guidato dal Prof. Johan Åkerman) ha lavorato sugli oscillatori spintronici, sulla loro sincronizzazione reciproca e sulle applicazioni in campi come le telecomunicazioni, il calcolo neuromorfico e, più recentemente, le macchine di Ising,' ha detto a Phys.org Akash Kumar, primo autore dello studio.

'Lo studio attuale è stato ispirato dalla scoperta di onde di spin in propagazione negli oscillatori nano del Hall dello Spin.'

Come parte di ricerche precedenti, il team dell'Università di Göteborg è stato in grado di realizzare onde di spin in propagazione negli SHNO per la prima volta, utilizzando campioni sottili del materiale W/CoFeB/MgO ottimizzati.

Questo risultato cruciale ha gettato le basi per il loro studio attuale, che mirava a controllare dinamicamente la sincronizzazione reciproca di SHNO utilizzando la fisica delle onde di spin, specificamente trasferendo informazioni di fase tra gli oscillatori.

'Questo controllo è essenziale per ottenere un accoppiamento uno a uno a lunga distanza tra coppie di SHNO separate, così come in catene più lunghe,' ha detto Kumar. 'Questo rompe la barriera dell'accoppiamento limitato ai vicini più vicini visto nei sistemi precedentemente dimostrati.'

Per condurre i loro esperimenti, Kumar e i suoi colleghi hanno utilizzato dispositivi con due SHNO facili da fabbricare. Sulla base dei loro studi precedenti, sono stati in grado di dimostrare una sincronizzazione reciproca tra questi dispositivi, mediata da onde di spin in propagazione.

'Gli SHNO sono oscillatori versatili che mostrano una grande non linearità di frequenza, possono essere fabbricati a dimensioni ridotte fino a 10 nm e sono capaci di sincronizzazione reciproca in catene unidimensionali e reticoli bidimensionali,' ha spiegato Kumar. 'Le onde di spin in questi dispositivi consentono la trasmissione di informazioni di fase e ampiezza da uno SHNO all'altro, cosa assente nelle dimostrazioni precedenti.'

I ricercatori hanno creato i dispositivi SHNO che hanno utilizzato nei loro esperimenti impiegando processi comuni di nano-fabbricazione. Per ottenere la sincronizzazione reciproca desiderata tra i due dispositivi, hanno regolato attentamente l'anisotropia magnetica e la separazione tra di essi.

'Abbiamo inizialmente osservato la firma della sincronizzazione reciproca ottimizzata della fase nelle misurazioni elettriche, in cui abbiamo misurato la densità spettrale di potenza usando analizzatori di spettro ad alta frequenza,' ha detto Kumar.

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'Per confermare i nostri risultati, abbiamo quindi effettuato misurazioni di microscopia a scattering di luce Brillouin (μ-BLS) a risoluzione di fase utilizzando la nostra struttura all'avanguardia, che ci ha permesso di visualizzare direttamente la fase di ciascun oscillatore e convalidare la nostra ipotesi,' ha detto Avinash Kumar Chaurasiya, co-primo autore dello studio, e responsabile delle misurazioni di microscopia.

'Per validare ulteriormente i loro risultati e confermare la presenza di sincronizzazione reciproca ottimizzata della fase tra gli oscillatori, ho eseguito una serie di simulazioni micromagnetiche,' ha detto il dottorando Victor González, anch'egli co-primo autore del paper. Queste simulazioni hanno confermato l'ipotesi originale, evidenziando il potenziale del loro approccio per controllare l'accoppiamento tra i dispositivi SHNO.

'Il trasferimento delle informazioni di fase tra gli SHNO sarà estremamente utile per numerose applicazioni,' ha detto Kumar.

'Con ulteriore ridimensionamento e controllo della tensione, questo accoppiamento può consentire ai dispositivi SHNO di essere utilizzati per macchine di Ising, che sono acceleratori di calcolo basati sull'ottimizzazione combinatoria hardware. Queste macchine hanno il potenziale per operare a temperatura ambiente e sono veramente nanoscopiche, rendendole sia pratiche che altamente efficienti.'

Questo recente studio condotto da Kumar e dai suoi colleghi mette in evidenza la possibilità di sfruttare le onde di spin propaganti per controllare dinamicamente l'accoppiamento tra gli SHNO. In futuro, potrebbe aprire nuove e entusiasmanti possibilità per lo sviluppo di vari dispositivi spintronici che potrebbero essere meglio attrezzati per affrontare compiti di ottimizzazione e calcolo reali.

'Come parte dei nostri prossimi studi, abbiamo in programma di ridimensionare il sistema per incorporare un gran numero di SHNO e utilizzare il gating di tensione per fornire un controllo locale efficiente dal punto di vista energetico, su richiesta, dell'accoppiamento,' ha aggiunto Kumar. 'Questi progressi renderanno veramente funzionali questi dispositivi per applicazioni reali.'

Ulteriori informazioni: 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.

Informazioni sulla rivista: Nature Physics

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