Onderzoek toont fase-instelbare spin-wave-gemedieerde onderlinge synchronisatie van spin Hall nano-oscillators

1 februari 2025 kenmerk

Dit artikel is beoordeeld volgens Science X's redactionele proces en beleid. Redacteuren hebben de volgende kenmerken benadrukt terwijl ze de geloofwaardigheid van de inhoud waarborgen:

gecheckt op feiten

door vakgenoten beoordeelde publicatie

betrouwbare bron

gecorrigeerd

door Ingrid Fadelli, Phys.org

Spin Hall Nano-oscillatoren (SHNO's) zijn nanoschaal spintronische apparaten die gelijkstroom omzetten in hoogfrequente microgolfsignalen via auto-oscillaties van spin golven. Dit is een type niet-lineaire magnetisatie oscillaties die zelf-onderhouden zijn zonder de noodzaak van een periodieke externe kracht.

Theoretische en simulatiestudies hebben aangetoond dat zich voortplantende spin-golfmodi, waarin spin golven door materialen bewegen in plaats van te worden beperkt tot het auto-oscillatiegebied, de koppeling tussen SHNO's kunnen bevorderen.

Deze koppeling kan op zijn beurt worden aangewend om de timing van oscillaties in deze apparaten aan te passen, wat voordelig zou kunnen zijn voor de ontwikkeling van neuromorfe rekensystemen en andere spintronische apparaten.

Onderzoekers aan de Universiteit van Gothenburg in Zweden en de Universiteit van Tohoku in Japan, in een paper gepubliceerd in Nature Physics, hebben experimenteel dergelijke spin-golf gemedieerde SHNO-naar-SHNO-koppeling gedemonstreerd. Hun onderzoek toont ook hoe de timing en de fase van de koppeling tussen de SHNO's spanningsgestuurd kunnen worden gemaakt.

'Voor de afgelopen twee decennia heeft onze groep (de Applied Spintronics Group aan de Universiteit van Gothenburg onder leiding van Prof. Johan Åkerman) gewerkt aan spintronische oscillatoren, hun onderlinge synchronisatie, en toepassingen in gebieden zoals telecommunicatie, neuromorfe computering en, meest recentelijk, Ising machines,' vertelde Akash Kumar, eerste auteur van het paper, aan Phys.org.

'Het huidige onderzoek was geïnspireerd door de ontdekking van zich voortplantende spin golven in spin Hall nano-oscillatoren (SHNO's).'

Als onderdeel van eerder onderzoek slaagde het team aan de Universiteit van Gothenburg erin om voor het eerst propagatie van spin golven in SHNO's te realiseren, met behulp van geoptimaliseerde dunne-film monsters van het materiaal W/CoFeB/MgO.

Deze cruciale prestatie legde de basis voor hun huidige studie, die tot doel had om de onderlinge synchronisatie van SHNO's dynamisch te controleren met behulp van de fysica van spin golven, specifiek door het overbrengen van fase-informatie tussen de oscillatoren.

'Een dergelijke controle is essentieel om lange-afstands een-op-een koppeling tussen gescheiden SHNO-paren te bereiken, evenals in langere ketens,' zei Kumar. 'Dit doorbreekt de barrière van de tot nu toe gedemonstreerde systemen beperkt tot naburige koppeling.'

Om hun experimenten uit te voeren, gebruikten Kumar en zijn collega's apparaten met twee SHNO's die eenvoudig te fabriceren zijn. Voortbouwend op hun eerdere studies slaagden ze erin om een ​​onderlinge synchronisatie tussen deze apparaten te demonstreren, die werd gemedieerd door voortplantende spin golven.

'SHNO's zijn veelzijdige oscillatoren die grote frequentie niet-lineariteit vertonen, kunnen worden gemaakt op maten zo klein als 10 nm en in staat zijn tot onderlinge synchronisatie in grote eendimensionale ketens en tweedimensionale arrays,' legde Kumar uit. 'De spin golven in deze apparaten maken de overdracht van fase- en amplitude-informatie van de ene SHNO naar de andere mogelijk, wat afwezig was in eerdere demonstraties.'

De onderzoekers creëerden de SHNO-apparaten die ze in hun experimenten gebruikten met behulp van veelvoorkomende nanofabricageprocessen. Om de gewenste onderlinge synchronisatie tussen de twee apparaten te bereiken, stemden ze zorgvuldig de magnetische anisotropie en de afstand tussen hen af.

'We zagen eerst de handtekening van fase-getimede onderlinge synchronisatie in elektrische metingen, waarbij we de vermogensspectraaldichtheid met behulp van hoogfrequentspectrum analyzers hebben gemeten,' zei Kumar.

Ontdek het laatste op het gebied van wetenschap, technologie en ruimtevaart met meer dan 100.000 abonnees die vertrouwen op Phys.org voor dagelijkse inzichten. Schrijf je in voor onze gratis nieuwsbrief en ontvang updates over doorbraken, innovaties en onderzoek die ertoe doen - dagelijks of wekelijks.

'Om onze bevindingen te bevestigen, hebben we vervolgens fase-opgeloste Brillouin Light Scattering (μ-BLS) microscopiemetingen uitgevoerd met behulp van onze state-of-the-art faciliteit, waarmee we direct de fase van elke oscillator konden visualiseren en onze hypothese konden valideren,' zei Avinash Kumar Chaurasiya, een gedeelde eerste auteur van de studie, en verantwoordelijk voor de microscopiemetingen.

'Om hun resultaten verder te bevestigen en de aanwezigheid van fase-getimede onderlinge synchronisatie tussen de oscillatoren te bevestigen, heb ik een reeks micromagnetische simulaties uitgevoerd,' zei doctoraatsstudent Victor González, ook gedeelde eerste auteur van het paper. Deze simulaties bevestigden de oorspronkelijke hypothese en benadrukten het potentieel van hun aanpak voor het controleren van de koppeling tussen SHNO-apparaten.

'De overdracht van fase-informatie tussen SHNO's zal zeer nuttig zijn voor een aantal toepassingen,' zei Kumar.

'Met verdere schaalvergroting en spanningsregeling kan deze koppeling SHNO-apparaten in staat stellen om te worden gebruikt voor Ising-machines, die combinatoriële optimalisatie op hardware gebaseerde rekenversnellers zijn. Deze machines hebben het potentieel om te werken bij kamertemperatuur en zijn werkelijk nanoscopisch van formaat, waardoor ze zowel praktisch als zeer efficiënt zijn.'

Deze recente studie van Kumar en zijn collega's benadrukt de mogelijkheid om voortplantende spin golven te gebruiken om de koppeling tussen SHNO's dynamisch te controleren. In de toekomst kan dit nieuwe opwindende mogelijkheden openen voor de ontwikkeling van verschillende spintronische apparaten die beter uitgerust zijn om echte optimalisatie- en reken taken aan te pakken.

'Als onderdeel van onze volgende studies, zijn we van plan om het systeem op te schalen om een groot aantal SHNO's te omvatten en gebruik te maken van spannings gating om energiezuinige, on-demand lokale controle van de koppeling te bieden,' voegde Kumar toe. 'Deze vooruitgang zal deze apparaten echt functioneel maken voor echte toepassingen.'

Meer informatie: 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.

Tijdschrift informatie: Nature Physics

© 2025 Science X Network