[論文レビュー] Wireless communication between two magnetic tunnel junctions acting as oscillator and diode

Danijela Marković, Nathan Leroux+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 2, 2020

Magnetic properties of thin films参考文献 21被引用数 6

ひとこと要約

本論文は、1つの磁気トンネル接合がGHz周波数の信号を発信するスピンターブ力ナノ発信器として機能し、もう1つの磁気トンネル接合がスピン転送力による整流により信号を検出するスピンダイオード検出器として機能する、2つの磁気トンネル接合間での無線マイクロ波通信を実証している。著者らは、独立して測定された発信器およびダイオードのスペクトルから検出された直流電圧を正確に再構成できることを示し、適応された自己発振モデルを用いて結果を検証し、すべてのスピントロニクス型無線ネットワークの実現に道筋を示している。

ABSTRACT

Magnetic tunnel junctions are nanoscale spintronic devices with microwave generation and detection capabilities. Here we use the rectification effect called "spin-diode" in a magnetic tunnel junction to wirelessly detect the microwave emission of another junction in the auto-oscillatory regime. We show that the rectified spin-diode voltage measured at the receiving junction end can be reconstructed from the independently measured auto-oscillation and spin diode spectra in each junction. Finally we adapt the auto-oscillator model to the case of spin-torque oscillator and spin-torque diode and we show that accurately reproduces the experimentally observed features. These results will be useful to design circuits and chips based on spintronic nanodevices communicating through microwaves.

研究の動機と目的

• スピンターブ力ナノ発信器とスピンダイオードを用いたマイクロ波放射および検出による無線通信の実証。
• 独立して測定された発信器およびダイオードのスペクトルから整流されたスピンダイオード電圧を理解し、再構成すること。
• ヴォーテックス型スピンターブ力デバイスを対象とした適応された自己発振モデルを用いて実験結果を検証すること。
• ナノスケールのスピントロニクス素子を基盤とするすべてのスピントロニクス型無線ネットワークの設計を可能にすること。

提案手法

• スピンターブ力発信器に直流電流を印加することで、ヴォーテックス状態における自己発振によりマイクロ波放射を生成する。
• スピンダイオード検出器には直流電流を印加せず、スピンダイオード効果により入射するマイクロ波信号に応答し、整流された直流電圧を発生させる。
• 発信器からのマイクロ波放射がアンテナを通じて無線結合され、その結果生じるダイオード電圧を直流電流および周波数の関数として測定する。
• 独立して測定された自己発振スペクトルおよびスピンダイオード応答関数を用いて、整流電圧を再構成する。
• スリンビンとティブルケビッチ（2009）が提唱した自己発振モデルの解析的および数値的解法を、ヴォーテックス型スピンターブ力発信器およびダイオード系に適応する。
• 非線形周波数シフト、出力パワー依存性、位相ダイナミクスを考慮することで、測定された電圧応答を予測する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 スピンターブ力ナノ発信器は、マイクロ波放射を介して無線でスピンダイオード検出器を励起できるか？
• RQ2 実験的に観測された整流スピンダイオード電圧は、独立して測定された発信器およびダイオードのスペクトルから再構成可能か？
• RQ3 自己発振モデルは、ヴォーテックス型スピンターブ力発信器およびダイオードが無線通信環境で示す挙動を正確に記述できるか？
• RQ4 発信器とダイオードの周波数のずれが、検出電圧にどのように影響するか？
• RQ5 ヴォーテックス振動と磁気抵抗の位相関係が整流プロセスにおいて果たす役割は何か？

主な発見

• スピンダイオード電圧がスピンターブ力ナノ発信器から無線で正常に検出され、すべてのスピントロニクス型無線通信の実現可能性が確認された。
• 測定された整流電圧は、独立して測定された自己発振スペクトルおよびスピンダイオードスペクトルから定量的に再構成され、予測と実験結果の間に良好な一致が得られた。
• 適応された自己発振モデルは、スピンダイオード信号の周波数依存性および電流駆動による変化を正確に予測した。
• モデルは、スピンダイオード電圧の符号が、入力周波数がダイオードの共鳴周波数に対して相対的にどの位置にあるかに依存することを示し、周波数選択が可能であることを示した。
• 検出電圧は、ダイオードの振動パワーの平方根に比例し、マイクロ波振幅およびヴォーテックスのチラリティに比例する。
• モデルは、観測値よりも高い電流領域でより高いダイオード電圧を予測しているが、これはTMRバイアス依存性を含めるなどのさらなる改良により、定量的整合性が向上する可能性を示唆している。