Forskerteam udvikler ultrahøj følsomhed i nanoskala mikrobølgedetektorer

Ved at bruge innovative magnetiske materialer, et internationalt forskersamarbejde har gjort et gennembrud i udviklingen af ​​mikrobølgedetektorer - enheder, der kan fornemme svage mikrobølgesignaler, der bruges til mobilkommunikation, radar, og andre applikationer. Teamets detektorer er kompakte og giver rekordhøj følsomhed. De er kendt som mikrobølgedetektorer med drejningsmoment (STMD'er), da de bruger elektronernes spin til at detektere mikrobølgesignaler, i modsætning til eksisterende detektorer, som bruger elektronladningen. SINANO -teamets forbedrede detektor har et stort potentiale til at blive brugt i fremtidig telekommunikation, sensornetværk, og tingenes internet.

STMDs kernekomponent består af to forskellige magnetiske lag. Et lag har en referenceretning, hvilket betyder, at dens nordlige og sydlige magnetiske poler er fikseret i rummet. Det andet lags magnetiske retning kan ændre sig som reaktion på en mikrobølge strøm, der strømmer gennem den. Dette gør det muligt for strukturen at producere en spænding som reaktion på et eksternt mikrobølgesignal. STMD's største fordel i forhold til eksisterende teknologier er at kombinere stor detekteringsfølsomhed ved lav inputeffekt for at registrere selv meget svage signaler. Det kombinerer også energieffektivitet med nanoskala størrelse.

Til dato, imidlertid, STMD'ernes detekteringsfølsomhed har hovedsageligt været afhængig af anvendelsen af ​​eksterne magnetfelter, hvilket hindrer deres implementering til praktiske anvendelser, nødvendiggør brug af en omfangsrig permanent magnet.

Ved at bruge magnetiske lag med vinkelret magnetisk anisotropi-svarende til dem, der anvendes i magnetisk hukommelse med spin-transfer-moment (STT-MRAM)-demonstrerede SINANO-teamet en rekordhøj detekteringsfølsomhed ved stuetemperatur uden eksterne forspændingsfelter, og for lav indgangseffekt (mikro-watt eller lavere). Følsomheden er 20 gange højere end state-of-the-art Schottky-diodetektorer. 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. STMD-enheder kan skaleres ned til nano-meter størrelse (0,07 μm ² i undersøgelsen), hvilket gør dem potentielt velegnede til kompakte mikrobølgedetektorer på chip.

"Tidligere har der ikke havde været demonstration af en STMD med tilstrækkelig høj detekteringsfølsomhed ved lav inputeffekt, og samtidig uden behov for et eksternt magnetfelt, dermed forhindre praktiske anvendelser, "sagde hovedforsker Z. M. Zeng, SINANO professor ved SINANO Nanofabrication Facility. "Vi har realiseret alle disse krav i en enkelt enhed."

"Høj følsomhed for et ultralavt mikrobølgesignal i nulmagnetisk felt er spændende for trådløse applikationer. Dette arbejde præsenterer en ny rute for udviklingen af ​​den næste generation af mikrobølgedetektorer på chip." sagde medforfatter G. Finocchio, som er adjunkt ved University of Messina, Italien.

"Nye spintronic -enheder har potentiale til at transformere elektronikindustrien, muliggøre dramatiske forbedringer i energieffektivitet og ydeevne. Et øjeblikkeligt eksempel er det hurtigt voksende område med ikke-flygtig magnetisk hukommelse (MRAM). Dette arbejde viser, at spintronic -enheder også kan give praktisk værdi i en anden klasse af applikationer, nemlig nanoskala mikrobølgedetektorer, "sagde Pedram Khalili, adjungeret adjunkt ved UCLA og medforfatter af papiret. "Disse enheder kan integreres i CMOS-back-end-fremstillingsprocesser, muligvis muliggøre deres integration i systemer på en chip. "

Papiret, "Giant spin-torque diode sensitivitet i fravær af bias-magnetfelt" er blevet offentliggjort online i tidsskriftet Naturkommunikation .