Forskerteam udvikler nye kompakte og energieffektive nanoskala mikrobølgeoscillatorer

Ved at bruge forbedrede magnetiske materialer, baseret på kontrol af grænsefladeegenskaber for ultratynde magnetiske film, forskere fra Suzhou Institute of Nano-tech og Nano-bionics, Chinese Academy of Sciences (SINANO), University of California i Los Angeles (UCLA), og universitetet i Messina har foretaget større eksperimentelle forbedringer for at udvikle en mere kompakt, mere energieffektiv generation af en mobil kommunikationsenhed kendt som spin transfer nano-oscillator (STNO). STNO'er bruger elektronernes spin til at skabe stabile mikrobølgesvingninger, der er nødvendige for forskellige applikationer inden for mobilkommunikation, i modsætning til nuværende siliciumbaserede oscillatorer, der bruger deres ladning. SINANO -teamets forbedrede oscillator har et stort potentiale til at blive brugt i fremtidige bærbare elektroniske enheder og trådløse moduler, systemer på en chip, og for energieffektiv lokal ur-signalgenerering i digitale systemer.

STNO'erne består af to forskellige magnetiske lag. Et lag har en fast magnetisk polar retning, mens det andet lags magnetiske retning kan manipuleres til gyrate ved at føre en elektrisk strøm gennem den. Dette gør det muligt for strukturen at producere meget præcise oscillerende mikrobølger. STNOs største fordel i forhold til eksisterende teknologier er, at den kan kombinere stor afstemning og lav energi med nanoskala størrelse, samt brede arbejdstemperaturområder.

Selvom STNO'er i mange henseender potentielt er bedre end eksisterende mikrobølgeoscillatorteknologier, deres mikrobølgesignaler afhænger hovedsageligt af både store drivstrømme og anvendelsen af ​​eksterne magnetfelter, hvilket forhindrer implementeringen af ​​STNO'er til praktiske anvendelser med hensyn til strømspredning og størrelse.

Ved at bruge magnetiske lag med vinkelret magnetisk anisotropi-svarende til dem, der bruges i hukommelse med spin-transfer-moment-demonstrerede SINANO-teamet store mikrobølgesignaler ved ultralave strømtætheder ( <5,4 × 105A/cm ² ) og i mangel af forspændte magnetiske felter. Dette eliminerer behovet for at flytte et stort antal elektroner gennem ledninger, og eliminerer også behovet for permanente magneter eller ledende spoler for at tilvejebringe det forspændte magnetfelt, og dermed spare både energi og plads betydeligt. Resultaterne er mikrobølgeoscillatorer, der genererer meget mindre varme på grund af deres lavere strøm, gør dem mere energieffektive.

"Tidligere har der ikke havde været demonstration af en spin-transfer-oscillator med tilstrækkelig høj udgangseffekt, lav drevstrømstæthed, og samtidig uden behov for et eksternt magnetfelt, dermed forhindre praktiske anvendelser, "sagde hovedforsker ZENG Zhongming, SINANO professor ved SINANO Nanofabrication Facility. "Vi har realiseret alle disse krav i en enkelt enhed."

"Evnen til at ophidse mikrobølgesignaler ved ultralav strømtæthed og i nul magnetfelt er spændende inden for nano-magnetisme. Dette arbejde præsenterer en ny rute for udviklingen af ​​den næste generation af on-chip-oscillatorer." sagde medforfatter G. Finocchio, som er adjunkt ved University of Messina, Italien.

"Ultra-low-power spintronic-enheder har potentiale til at transformere elektronikindustrien, med det mest umiddelbare eksempel inden for området ikke -flygtig magnetisk hukommelse (MRAM). Dette arbejde viser, at lignende materialer og enheder også kan bringe nanoskala spintroniske oscillatorer et skridt tættere på virkeligheden, "sagde Pedram Khalili, en forskningsassistent og programleder ved UCLA og medforfatter af papiret. "Disse enheder kan integreres med standard CMOS -logiske fremstillingsprocesser, muliggør en lang række produkter fra selvstændig hukommelse og mikrobølge komponenter til systemer på en chip. "