Badanie wykazuje fazowalne synchronizowanie wzajemne oscylatorów nano-spin Hall za pośrednictwem fal magnonowych.
1 lutego 2025 elementy
Ten artykuł został przejrzany zgodnie z procesem redakcyjnym i zasadami Science X. Redaktorzy wyróżnili następujące cechy, dbając o wiarygodność treści:
zweryfikowane faktami
publikacja z recenzją
zaufane źródło
skorygowane
autor: Ingrid Fadelli, Phys.org
Nano-oscylatory Halla spinu (SHNO) są nanoskalowymi urządzeniami spintroniki, które przekształcają prąd stały w wysokoczęstotliwościowe sygnały mikrofalowe poprzez samoistne oscylacje fal spinowych. Jest to rodzaj nieliniowych oscylacji magnetyzacji, które są samonapędzane bez konieczności zewnętrznej siły okresowej.
Studia teoretyczne i symulacje wykazały, że propagujące tryby fal spinowych, w których fale spinowe poruszają się po materiałach zamiast być ograniczone do obszaru samoistnych oscylacji, mogą promować sprzężenie między SHNO.
To sprzężenie może z kolei być wykorzystane do regulowania czasu oscylacji w tych urządzeniach, co mogłoby być korzystne dla rozwoju systemów obliczeniowych neuromorficznych oraz innych urządzeń spintronicznych.
Badacze z Uniwersytetu w Gothenburgu w Szwecji i Uniwersytetu Tohoku w Japonii, w artykule opublikowanym w Nature Physics, eksperymentalnie udowodnili takie spinowo-średnicowe sprzężenie między SHNO-SHNO. Ich badania pokazują również, jak osiągnąć sterowanie napięciem czasem i fazą sprzężenia między SHNO.
„Przez ostatnie dwie dekady nasza grupa (Grupa Spintroniki Stosowanej na Uniwersytecie w Gothenburgu pod przewodnictwem prof. Johana Åkermana) pracowała nad oscylatorami spintronowymi, ich wzajemną synchronizacją i zastosowaniami w dziedzinach takich jak telekomunikacja, obliczenia neuromorficzne oraz, w ostatnim czasie, maszyny Isinga”, powiedział Phys.org Akash Kumar, pierwszy autor artykułu.
„Obecne badanie było inspirowane odkryciem propagujących fal spinowych w nanooścylatorach Halla spinu (SHNO)”.
W ramach wcześniejszych badań zespół z Uniwersytetu w Gothenburgu był w stanie zrealizować propagujące fale spinowe w SHNO po raz pierwszy, korzystając z zoptymalizowanych próbek cienkich warstw materiału W/CoFeB/MgO.
To kluczowe osiągnięcie stanowiło podstawę ich obecnego badania, które miało na celu dynamiczne kontrolowanie wzajemnej synchronizacji SHNO za pomocą fizyki fal spinowych, a konkretnie przez przekazywanie informacji fazowej między oscylatorami.
„Takie sterowanie jest istotne dla uzyskania sprzężenia jedno do jednego na długim dystansie między oddzielnymi parami SHNO, jak również w dłuższych łańcuchach”, powiedział Kumar. „To przełamuje barierę poprzednio demonstrowanych systemów z ograniczonym sprzężeniem sąsiednich sąsiadów”.
By przeprowadzić swoje eksperymenty, Kumar i jego koledzy wykorzystali urządzenia z dwoma SHNO, które są łatwe do wytworzenia. Kontynuując swoje wcześniejsze badania, udało im się pokazać wzajemną synchronizację między tymi urządzeniami, które była mediowana przez propagujące fale spinowe.
„SHNO to wszechstronne oscylatory, które wykazują duże nieliniowe częstotliwości, mogą być wytworzone w rozmiarach nawet 10 nm i zdolne są do wzajemnej synchronizacji w dużych łańcuchach jednowymiarowych i dwuwymiarowych tablicach”, wyjaśnił Kumar. „Fale spinowe w tych urządzeniach umożliwiają transmisję informacji fazowej i amplitudy z jednego SHNO do drugiego, co nie występowało w poprzednich demonstracjach”.
Badacze stworzyli urządzenia SHNO, których użyli w swoich eksperymentach, wykorzystując powszechne procesy nano-wytwarzania. Aby uzyskać pożądaną wzajemną synchronizację między dwoma urządzeniami, starannie dostroili anizotropię magnetyczną i odległość między nimi.
„Najpierw zaobserwowaliśmy sygnaturę fazowego zestrojenia wzajemnej synchronizacji w pomiarach elektrycznych, gdzie mierzyliśmy gęstość mocy za pomocą analizatorów widma o wysokiej częstotliwości”, powiedział Kumar.
Odkrywaj najnowsze trendy w nauce, technologii i kosmosie z ponad 100 000 subskrybentów, którzy polegają na Phys.org dla codziennych spostrzeżeń. Zapisz się na nasz darmowy biuletyn i otrzymuj aktualności o przełomach, innowacjach i badaniach, które mają znaczenie — codziennie lub tygodniowo.
„Aby potwierdzić nasze wyniki, przeprowadziliśmy mikroskopowe pomiary rozpraszania światła Brillouina rozdzielone pod względem fazy (μ-BLS) za pomocą naszego nowoczesnego sprzętu, co pozwoliło nam bezpośrednio zobaczyć fazę każdego oscylatora i potwierdzić nasze hipotezy”, powiedział Avinash Kumar Chaurasiya, współautor badania, odpowiedzialny za pomiary mikroskopowe.
„Aby dalej zweryfikować ich wyniki i potwierdzić obecność fazowego zestrojenia wzajemnej synchronizacji między oscylatorami, przeprowadziłem serię symulacji micromagnetycznych”, powiedział student doktor Victor González, także współautor artykułu. Te symulacje potwierdziły początkową hipotezę, podkreślając potencjał ich podejścia do kontrolowania sprzężenia między urządzeniami SHNO.
'Przekazywanie informacji fazowej między SHNOs będzie bardzo przydatne dla wielu zastosowań,' powiedział Kumar.
'Dalsze skalowanie i kontrola napięcia mogą umożliwić wykorzystanie tych sprzężeń do urządzeń SHNO w celu zastosowania w maszynach Isinga, które są przyspieszaczami obliczeń opartymi na sprzężeniu sprzętowym do optymalizacji kombinatorycznej. Te maszyny mają potencjał do pracy w temperaturze pokojowej i są naprawdę nanoskopowe, co czyni je zarówno praktycznymi, jak i wydajnymi.'
Niniejsze niedawne badanie przeprowadzone przez Kumara i jego kolegów podkreśla możliwość wykorzystania propagujących fal spinowych do dynamicznej kontroli sprzężeń między SHNOs. W przyszłości może to otworzyć nowe ekscytujące możliwości rozwoju różnych urządzeń spintroniki, które mogłyby być lepiej przystosowane do realizacji optymalizacji oraz zadań obliczeniowych w rzeczywistości.
'W ramach naszych kolejnych badań planujemy skalować system w celu uwzględnienia dużej liczby SHNOs i wykorzystać bramkowanie napięciowe do zapewnienia energooszczędnej, lokalnej kontroli sprzężeń na żądanie,' dodał Kumar. 'Te postępy sprawią, że te urządzenia staną się naprawdę funkcjonalne dla aplikacji w świecie rzeczywistym.'
Więcej informacji: 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.
Informacje o czasopiśmie: Nature Physics
© 2025 Science X Network
