I nano-oscillatori spintronici hanno compiuto un passo in avanti

La generazione di oscillazioni nel range di frequenza delle microonde è una delle più importanti applicazioni dei dispositivi spintronici. Tali dispositivi sfruttano lo spin degli elettroni e la loro carica, superando così le limitazioni crescenti dell’elettronica convenzionale. I nano-oscillatori spintronici (STNO) sono di particolare interesse per le comunicazioni wireless.

Gli scienziati hanno avviato il progetto MASTER (Microwave amplification by spin transfer emission radiation), finanziato dall’UE, per esplorare il potenziale degli STNO da utilizzare come fonti di radiazione a microonde regolabili e a banda ultra stretta per la tecnologia delle telecomunicazioni mobili e wireless. L’attenzione si è concentrata su come affrontare le sfide esistenti relative alla potenza insufficiente, al troppo rumore (di fase) e agli stretti range di frequenza.

Sfruttando una grande rete di oscillatori accoppiati in modo coerente (oscillanti insieme alla stessa frequenza), gli scienziati hanno cercato di aumentare in maniera significativa le prestazioni del dispositivo. Per ottimizzare i risultati, hanno studiato quattro differenti meccanismi di accoppiamento tra oscillatori confinanti.

La ricerca di tale progetto ha portato all’identificazione della configurazione ottimale di N oscillatori per la sincronizzazione. Attraverso l’accoppiamento della dinamica di magnetizzazione dei due strati che costituiscono un STNO, gli scienziati hanno ottenuto la potenza in uscita e la lunghezza di riga spettrale prefissate. Sono state riportate prestazioni migliori fino a N = 4. Le caratteristiche prestazionali di tale ottimizzazione sono state studiate sia teoricamente che sperimentalmente.

Il progetto ha sviluppato tecniche spettroscopiche innovative relative alle onde di spin in grado di eccitare e rilevare la dinamica di magnetizzazione dei singoli STNO indipendentemente dagli effetti spintronici. Queste tecniche sono state fondamentali per la comprensione dei meccanismi di base coinvolti nel trasferimento della quantità di moto rotatorio.

Un altro risultato è stato lo sviluppo di un solutore ad alte prestazioni per l’esecuzione di simulazioni micromagnetiche su una rete molto ampia di STNO accoppiati in modo coerente. Inoltre, il progetto ha creato un semplice quadro teorico per il trasporto nei multistrati magnetici.

Gli SNTO sono in grado di coprire un diverso range di frequenze, sono facili da realizzare e compatibili con la convenzionale tecnologia di semiconduttori a giunzione metallo-ossido con silicio complementare. Questi nano-oscillatori potrebbero presto sostituire i convenzionali oscillatori controllati in tensione utilizzati nei circuiti risonanti. Un ulteriore sistema spintronico a microonde potrebbe risultare da una testina dinamica di lettura magnetica nella memoria dei dati. Il rilevatore di frequenza istantanea su banda larga con range di bassa e alta frequenza per sistemi cognitivi radio o radar è un ulteriore erede della tecnologia SNTO.