Spintronische Nano-Oszillatoren rücken einen Schritt näher
Die Erzeugung von Oszillationen im Mikrowellenfrequenzbereich ist eine der wichtigsten Anwendungen spintronischer Geräte. Solche Geräte nutzen den Spin und die Ladung von Elektronen, um so die Grenzen der herkömmlichen Elektronik zu überwinden. Spintransfer-Nano-Oszillatoren (STNO) sind von besonderem Interesse für die Drahtloskommunikation. Wissenschaftler riefen das EU-finanzierte Projekt MASTER (Microwave amplification by spin transfer emission radiation) ins Leben, um das Potential von STNO zur Verwendung bei abstimmbaren Ultraschmalband-Mikrowellenquellen für die mobile und drahtlose Telekommunikationstechnologie zu erforschen. Der Schwerpunkt lag darauf, sich den bestehenden Herausforderungen anzunehmen, die mit unzureichender Leistung, zu hohem (Phasen-) Rauschen und schmalen Frequenzbereichen verbunden sind. Unter Verwendung großer Arrays kohärent gekoppelter Oszillatoren (die gemeinsam mit derselben Frequenz oszillieren), versuchten die Wissenschaftler, die Geräteleistung signifikant zu steigern. Zur Optimierung der Ergebnisse untersuchten sie vier verschiedene Mechanismen zur Kopplung benachbarter Oszillatoren. Die Projektforschung führte zur Ermittlung der optimalen Konfiguration von N-Oszillatoren zur Synchronisation. Durch Kopplung der Magnetisierungsbewegung der zwei Schichten, aus denen ein STNO besteht, erreichten die Wissenschaftler die angestrebte Ausgangsleistung und Linienbreite. Sie berichteten eine gesteigerte Leistung von bis zu N=4. Die Leistungsmerkmale des optimierten Arrays wurden sowohl theoretisch als auch experimentell untersucht. Die Projektmitglieder entwickelten innovative Spinwellen-Spektroskopieverfahren, mit denen die Magnetisierungsdynamik einzelner STNO unabhängig von Spintransfer-Effekten angeregt und detektiert werden können. Diese Verfahren waren von fundamentaler Bedeutung für das Verständnis der grundlegenden Mechanismen, die beim Transfer des Spinmoments eine Rolle spielen. Ein weiterer Erfolg bestand in der Entwicklung eines Hochleistungslösers für mikromagnetische Simulationen zu einem sehr großen Array kohärent gekoppelter STNO. Außerdem erstellten die Wissenschaftler einen einfachen theoretischen Rahmen für den Transport in magnetischen Mehrfachschichten. STNO können einen anderen Frequenzbereich abdecken, sind leicht herzustellen und sind mit herkömmlicher komplementärer Silizium-Metalloxidhalbleiter-Technologie kompatibel. Diese Nano-Oszillatoren könnten schon bald die herkömmlichen spannungsgesteuerten Oszillatoren ersetzen, die derzeit in Schwingkreisen eingesetzt werden. Ein weiteres spintronisches Mikrowellensystem könnte einen dynamischen magnetischen Lesekopf für Datenspeicher bilden. Weiterhin profitiert auch ein Breitband-Frequenzdetektor für den hohen und tiefen Frequenzbereich für kognitive Funk- und Radarsysteme, der sofort Ergebnisse liefert, von STNO-Technologie.
Schlüsselbegriffe
Nano-Oszillatoren, Mikrowellenfrequenz, Drahtloskommunikation, Spintransfer-Nano-Oszillatoren, Strahlungsaussendung
