Den 1 februari 2025
funktion
Den här artikeln har granskats enligt Science X redaktionella process och policys. Redaktörerna har framhävt följande egenskaper samtidigt som de säkerställer innehållets trovärdighet:
faktagranskad
peer-reviewed publikation
pålitlig källa
korrekturläst
av Ingrid Fadelli, Phys.org
Spin Hall nano-oscillatorer (SHNOs) är nanoskaliga spinntroniska enheter som omvandlar likström till högfrekventa mikrovågssignaler genom spinnvågssjälvsvängningar. Detta är en typ av icke-linjära magnetiseringsvibrationer som är självhållande utan behov av en periodisk yttre kraft.
Teoretiska och simuleringsstudier har funnit att spridande spinnvågslägen, där spinnvågor rör sig över material istället för att vara begränsade till självsvängningsregionen, kan främja kopplingen mellan SHNOs.
Denna koppling kan i sin tur användas för att justera timingen av svängningarna i dessa enheter, vilket kan vara fördelaktigt för utvecklingen av neuromorfiska beräkningssystem och andra spinntroniska enheter.
Forskare vid Göteborgs universitet i Sverige och Tohoku-universitetet i Japan har experimentellt uppvisat en sådan spinnvågsmässig SHNO-till-SHNO-koppling. Deras studie visar också hur man uppnår spänningskontroll över timingen och fasen av kopplingen mellan SHNOs.
"Under de senaste två decennierna har vår grupp (Applied Spintronics Group vid Göteborgs universitet under ledning av professor Johan Åkerman) arbetat med spinntroniska oscillatorer, deras ömsesidig synkronisering och tillämpningar inom områden som telekommunikation, neuromorfiska beräkningar och, mest nyligen, Ising-maskiner," berättade Akash Kumar, försteförfattare till artikeln, för Phys.org.
"Denna studie inspirerades av upptäckten av spinnvågor som sprider sig i spin Hall nano-oscillatorer (SHNOs)."
Som en del av tidigare forskning kunde teamet vid Göteborgs universitet för första gången förverkliga spinnvågor i SHNOs med hjälp av optimerade tunnfilmsexemplar av materialet W/CoFeB/MgO.
Detta avgörande framsteg lade grunden för deras nuvarande studie, som syftade till att dynamiskt kontrollera den ömsesidiga synkroniseringen av SHNOs med hjälp av spinnvågornas fysik, specifikt genom att överföra fasinformation mellan oscillatorerna.
"Sådan kontroll är nödvändig för att uppnå långväga, en-till-en-koppling mellan separata SHNO-par, liksom i längre kedjor," sa Kumar. "Detta bryter barriären för närliggande-begränsad koppling som sett i tidigare system."
För att genomföra sina experiment använde Kumar och hans kollegor enheter med två SHNO som är lätta att tillverka. Med utgångspunkt från sina tidigare studier lyckades de visa en ömsesidig synkronisering mellan dessa enheter, som förmedlades av spridande spinnvågor.
"SHNOs är mångsidiga oscillatorer som uppvisar stor frekvensicke-linjäritet, kan tillverkas i storlekar så små som 10 nm och kan uppvisa ömsesidig synkronisering i stora en-dimensionella kedjor och två-dimensionella nät," förklarade Kumar. "Spinnvågorna i dessa enheter möjliggör överföringen av fas- och amplitudinformation från en SHNO till en annan, vilket saknades i tidigare demonstrationer."
Forskarna skapade SHNO-enheter som de använde i sina experiment med hjälp av vanliga nanotillverkningsprocesser. För att uppnå den önskade ömsesidiga synkroniseringen mellan de två enheterna finjusterade de noggrant den magnetiska anisotropin och avståndet mellan dem.
"Vi observerade först signaturen för fasanpassad ömsesidig synkronisering i elektriska mätningar, där vi mätte effektspektraltätheten med hjälp av högfrekvensspektrumanalysatorer," sa Kumar.
Upptäck det senaste inom vetenskap, teknik och rymden med över 100 000 prenumeranter som förlitar sig på Phys.org för dagliga insikter. Registrera dig för vårt gratis nyhetsbrev och få uppdateringar om genombrott, innovationer och forskning som betyder något - dagligen eller veckovis.
"För att bekräfta våra fynd utförde vi sedan fasupplösta Brillouin-ljusspridningsmikroskopi (μ-BLS) -mätningar med hjälp av vår toppmoderna anläggning, vilket möjliggjorde att vi direkt visualiserar fasen hos varje oscillator och validerar vår hypotes," sa Avinash Kumar Chaurasiya, en delad försteförfattare till studien, och ansvarig för mikroskopimätningarna.
"För att ytterligare validera sina resultat och bekräfta närvaron av fasanpassad ömsesidig synkronisering mellan oscillatorerna utförde jag en serie mikromagnetiska simuleringar," sa doktoranden Victor González, också delad försteförfattare till artikeln. Dessa simuleringar bekräftade den ursprungliga hypotesen och lyfte fram potentialen i deras tillvägagångssätt för att kontrollera kopplingen mellan SHNO-enheter.
'Överföringen av fasinformation mellan SHNO:er kommer att vara mycket användbar för ett antal tillämpningar,' sa Kumar.
'Genom ytterligare skalning och spänningskontroll kan denna koppling möjliggöra att SHNO-enheter används för Ising-maskiner, som är kombinatoriska optimeringshårdvarubaserade beräkningsacceleratorer. Dessa maskiner har potentialen att fungera vid rumstemperatur och är verkligen nanoskopiska i storlek, vilket gör dem både praktiska och mycket effektiva.'
Denna nya studie av Kumar och hans kollegor lyfter möjligheten att dra nytta av spridande spinvågor för att dynamiskt kontrollera kopplingen mellan SHNO:er. I framtiden kan det öppna upp nya spännande möjligheter för utvecklingen av olika spinntronikenheter som kan vara bättre rustade att hantera verkliga optimerings- och beräkningsuppgifter.
'Som en del av våra kommande studier planerar vi att skala systemet för att införliva ett stort antal SHNO:er och använda spänningsgivande för att ge energieffektiv, på-förfrågan lokal kontroll av kopplingen,' tillade Kumar. 'Dessa framsteg kommer att göra dessa enheter verkligt funktionella för verkliga tillämpningar.'
Mer information:
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.
Tidskriftsinformation:
Nature Physics
© 2025 Science X Network
