Cercetătorii au filmat pentru prima dată undele de spin din interiorul unui nano-oscilator
O echipă de cercetători din Suedia și Germania, condusă de Universitatea din Gothenburg și Centrul Helmholtz din Berlin (HZB), a reușit pentru prima dată să imagineze direct dinamica magnetizării din interiorul unui nano-oscilator cu efect Hall de spin — un dispozitiv la scară nanometrică ce transformă curentul continuu în semnale de microunde reglabile. Rezultatele au fost publicate în revista Advanced Materials.
Nano-oscilatoarele cu efect Hall de spin (SHNO) sunt printre cele mai versatile dispozitive din spintronică: un curent continuu trecut printr-o constricție de dimensiuni nanometrice determină magnetizarea locală să preceseze constant, convertind astfel un semnal de curent continuu într-o ieșire radiofrecvență reglabilă. Datorită faptului că sunt ușor de fabricat, compatibile cu tehnologia CMOS și pot fi sincronizate reciproc în rețele mari, SHNO sunt considerate o platformă model pentru surse de microunde reglabile și pentru calcul neuromorfic bazat pe unde.
Până acum, ceea ce se întâmplă în interiorul unui singur oscilator nu fusese niciodată observat direct, deoarece dinamica se desfășoară la scări de nanometri și în fracțiuni de nanosecundă. Echipa de la Universitatea din Gothenburg a fabricat SHNO bazate pe straturi ultra-subțiri de CoFeB și le-a caracterizat din punct de vedere al dinamicii de microunde. Pentru a privi în interiorul dispozitivelor, grupul a colaborat cu cercetători de la HZB și cu colegi de la Institutul Max Planck pentru Sisteme Inteligente din Stuttgart.
La microscopul de scanare cu raze X prin transmisie MAXYMUS, operat la inelul de stocare de electroni BESSY II din Berlin, cercetătorii au filmat dinamica magnetizării în mod stroboscopic, folosind dicroismul magnetic circular cu raze X ca mecanism de contrast. Au obținut o rezoluție spațială de câteva zeci de nanometri și o rezoluție temporală mult sub perioada oscilațiilor, de aproximativ 6 GHz.
Filmele cu raze X arată că auto-oscilațiile undelor de spin se concentrează la cele două margini ale constricției nanometrice — dar cu o asimetrie pronunțată în favoarea unei singure margini — și că undele de spin emise se propagă puternic anizotropic, deplasându-se perpendicular pe câmpul magnetic aplicat.
Simulările micromagnetice au putut reproduce aceste observații doar după ce au fost luate în considerare trei efecte neglijate în mod obișnuit. În primul rând, filmul magnetic nu este perfect uniform, ci este format din granule cristaline minuscule ale căror limite afectează undele de spin. În al doilea rând, nanofabricarea slăbește ușor anizotropia magnetică perpendiculară — tendința intrinsecă a magnetizării de a se orienta în afara planului filmului — ceea ce deplasează punctele din care sunt emise undele. În al treilea rând, un efect subtil de interfață, interacțiunea Dzyaloshinskii–Moriya, face ca undele de spin care călătoresc în direcții opuse să se comporte diferit, explicând caracterul unilateral al emisiei. Doar cu toate cele trei ingrediente au coincis simularea și experimentul — un semn clar că modelele fizice folosite pentru proiectarea SHNO și a rețelelor lor sincronizate trebuie rafinate.
Măsurătorile au produs și o observație secundară neașteptată: sub iluminare prelungită cu raze X moi intense, proprietățile magnetice ale probelor s-au modificat treptat și permanent. Acest efect privește combinația particulară de materiale studiată aici — un strat ultra-subțire de CoFeB acoperit cu MgO — nu materialele magnetice în general. Totuși, această interfață CoFeB/MgO este un ingredient standard al dispozitivelor spintronice actuale, adesea luate în considerare pentru utilizare în medii cu radiații ridicate, precum sateliții și alte nave spațiale. Modul în care astfel de dispozitive răspund la doze mari de radiații merită, prin urmare, o atenție mai atentă.
„Doar văzând direct undele de spin am putut înțelege ce ingrediente guvernează cu adevărat acești oscilatori. Efecte precum limitele de granule și interacțiunea Dzyaloshinskii–Moriya s-au dovedit esențiale, nu opționale”, spune Sebastian Wintz, care a condus măsurătorile la BESSY II.
„Știm că SHNO se pot sincroniza în rețele foarte mari. Ceea ce ne oferă această imagistică directă este o bază microscopică mult mai solidă pentru înțelegerea și controlul modului în care undele de spin stabilesc cuplajul și relațiile de fază în interiorul acestor rețele”, adaugă Johan Åkerman, care conduce echipa de la Universitatea din Gothenburg.
