CN109906549A - 自旋振荡器装置和相互同步的自旋振荡器装置阵列 - Google Patents

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CN109906549A CN201780068307.7A CN201780068307A CN109906549A CN 109906549 A CN109906549 A CN 109906549A CN 201780068307 A CN201780068307 A CN 201780068307A CN 109906549 A CN109906549 A CN 109906549A
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艾哈迈迪·阿阿瓦德
菲利普·迪伦费尔德
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Abstract

一种自旋振荡器装置(1)，包括第一自旋霍尔效应纳米振荡器SHNO(2)，其具有延伸的多层磁性薄膜堆叠(2)，其中，纳米收缩NC(6)被提供在所述磁性膜堆叠(2)中，所述磁性膜堆叠(2)提供包括磁性自由层(3)和自旋霍尔效应层的SHNO(2，6)并且具有纳米级区，其中，NC(6)被配置为向纳米区集中电流(Idc)，被配置为在磁性自由层(3)中生成对激发磁化自动振荡MAO需要的必要电流密度，其中，周向磁场(HOe)围绕NC(6)，其中，具有基本上平面外的分量的外部施加的应用场(Hext)被配置为控制MAO朝向第二自旋振荡器装置(NCn)的空间扩展，该第二自旋振荡器装置被布置在MAO通信中并且与第一NC(NC1)同步。

Description

自旋振荡器装置和相互同步的自旋振荡器装置阵列
技术领域
本发明涉及一种自旋振荡器装置以及这种装置的使用。
背景技术
利用自旋电流的自旋振荡器装置(诸如，自旋霍尔效应纳米振荡器(SHNO：s))是已知的。
自旋电流能够在称为自旋转移力矩的过程中将其角动量转移为薄膜的磁化。能够通过自旋霍尔效应从充电电流产生自旋电流。在(其能够通过使充电电流通过纳米收缩(NC)获得的)足够大的自旋电流密度处，能够完全补偿磁性薄膜的固有阻尼，并且能够维持磁化的自动振荡。
这种本质上纳米级装置是对其中需要高度可调谐宽带振荡器的应用的有吸引力的候选者。然而，振荡器的低输出功率和高相位噪声阻碍了它们的进展。用于提高振荡器性能的一种普遍接受技术是将它们中的许多同步在一起。
除振荡器技术之外，此类装置还具有其他潜在用途。例如，虽然互补金属氧化物半导体(CMOS)集成电路在数据处理上已经是现有技术，但是一种这样的“超出CMOS”技术依赖于传播和局部自旋波的功能化，自旋电子学的子领域通常称为磁振子学。磁振子装置的典型组件包括用于产生、操纵和检测自旋波的机制以及用于自旋波行进或相互作用的磁介质。这些技术的扩展是为了利用用于神经形态功能的自旋电子振荡器的大规模并行网络，其旨在模仿人类大脑中发现的功能。因此，开发新技术来操纵和可靠地控制纳米级的自旋波和磁化自动振荡至关重要。附加地，由于铁磁介质内的阻尼和损耗，存在传播自旋波的有限传播长度和在弱局部自旋波之间的有限相互作用长度。增加自旋波传播和相互作用的范围使得信息能够在更远的距离上传输在技术上也是有利的。
耦合的非线性振荡器的同步和锁相是一种常见的自然现象。因为每个振荡器在得到的同步状态上起主动作用，所以耦合通常被描述为相互的。相互同步被认为是实现对应用需要的足够信号质量的主要工具。它也是振荡器网络中用于神经形态功能的关键机制。然而，迄今为止尚未在实验上证明SHNO的相互同步。
发明内容
根据本公开的一个方面，相互作用的局部自旋波是引起同步的主要耦合机制。此外，替代通常在平面内场中使用的SHNO，通过在平面外场中操作SHNO，能够减小自动振荡区的局部性质，并且自动振荡区能够在尺寸上扩大。在平面外磁场和SHNO驱动电流的确定唯一的组合处，结合平面外磁化方向和振荡器的固有非线性，以将局部最大的振荡从NC的侧脱离到NC的内部。在该脱离之后，自动振荡区能够在尺寸上基本被扩大，这既增加了单个SHNO的微波输出功率又实现了两个或更多个SHNO的鲁棒的相互同步。
根据第一方面的第一实施例，提供了一种自旋振荡器装置，包括具有扩展的双层磁性和非磁性薄膜堆叠的第一自旋霍尔效应纳米振荡器(SHNO)，其中，纳米收缩(NC)被提供在双层薄膜堆叠中，该双层薄膜堆叠提供了包括磁性自由层的SHNO并具有纳米级区。NC被配置为将电流集中到纳米级区，被配置为生成对在磁性自由层中生成自动振荡自旋波需要的必要电流密度。外部施加的场被配置为控制自由层磁化的方向，使得其与膜平面形成非零的平面外角度，以使自旋波区从NC边缘脱离并朝向(也是自动振荡的)第二自旋振荡器装置扩展进入NC区并且从NC区出来，并且与第一NC同步。
根据一个方面，通过以垂直阵列几何形状菊花链式连接多个NC，能够在由单个NC允许的非常较大的距离上将自旋波信息(即自旋波相位、频率、幅度及其调制)从一个NC传播到另一个NC。这在技术上是有利的，因为它允许局部自旋波在远大于其固有定位的距离上传输信息。这增加了自旋波的范围，使得能够在较大的距离上传输信息。
根据一个方面，通过定制(tailor)桥，例如通过使连接两个或更多个自旋振荡器的桥变窄，能够增加桥中的自旋电流密度并且能够减小自旋波阻尼，以进一步将振荡区扩展到桥中，以便增加自旋振荡器之间的相互作用。这进一步增加了两个或更多个自旋振荡器能够在其上相互同步的距离。
根据一个方面，通过将两个或更多个自旋振荡器中的两个或更多行彼此相邻放置，偶极耦合能够使相邻行中的自旋振荡器相互同步，使得自旋振荡器的整个二维横向阵列能够相互同步。
根据一个方面，通过在彼此的顶部上制造两个或更多个自旋振荡器中的两个或更多个行，偶极耦合能够使相邻行中的自旋振荡器相互同步，使得自旋振荡器的整个二维阵列能够相互同步。类似地，通过在彼此的顶部上制造自旋振荡器的两个或更多个横向阵列，能够使自旋振荡器的整个三维阵列相互同步。
根据一个方面，通常具有来自几何或材料差异的不同频率的多个自旋振荡器并联连接，使得它们具有各自的驱动电流但它们的微波信号被组合在一起。在自旋振荡器的集合体的顶部上是提供具有频率f的微波场的导体。能够独立控制每个自旋振荡器的频率fi。对于对自旋振荡器的集合体的确定组的输入电流Ii，所有fi将足够地接近于f以注入锁定。由于自旋振荡器的集合体的所组合输出信号将随着注入锁定自旋振荡器的数目而强烈增加，因此该微波信号的强度能够被使用为振荡器的集合体已经调整到f的接近程度的度量。对于确定组输入电流，输出信号将是最强的，因此能够使用自旋振荡器的集合体来识别该组。通过调整通过导体的微波电流强度，还能够调整对频率fi必须匹配f的接近程度的要求。
根据一个方面，通常具有来自几何或材料差异的不同频率的多个自旋振荡器串联连接，使得它们具有相同的驱动电流但生成不同的频率fi。在每个自旋振荡器的顶部上是导体，其提供静态磁场以单独调谐该自旋振荡器的频率。因此能够独立地控制每个自旋振荡器的频率fi。对于到导体的集合体的一组输入电流Ii，所有fi将彼此足够接近以相互同步。由于自旋振荡器的集合体的所组合的输出信号将随着相互同步的自旋振荡器的数目而强烈增加，所以该微波信号的强度能够被使用作为振荡器的集合体已经调谐到公共频率的接近程度的度量。对于到导体的确定组输入电流，输出信号将是最强的，因此能够使用自旋振荡器的集合体来识别该组。通过调整通过自旋振荡器的集合体的电流强度，能够调整它们的相互作用强度，因此也能够调整对频率fi必须彼此匹配的接近程度的要求。
附图说明
从以下详细说明和附图中，本发明的特征和优点将变得更加显而易见，在附图中：
图1a-图1b以侧视截面视图示出了根据本发明实施例的自旋振荡器装置(图1a)，其图示了堆叠层，并且在俯视图(图1b)中图示了纳米级-收缩以及电流驱动和微波电压生成。
图2以主顶视图示出了根据本发明实施例的示出相互同步的自旋振荡器装置。
图3以主顶视图示出了根据本发明实施例的自旋振荡器装置，其示出了增强的相互同步。
图4以主顶视图示出了根据本发明另一实施例的自旋振荡器装置，其示出了在两个横向方向上的二维同步。
图5a-图5b以侧视截面视图(图3a)和主俯视图(图3b)示出了根据本发明替选的实施例的自旋振荡器装置，其示出了在一个横向方向和法线方向上的二维同步。
图6a-图6b以侧视截面视图(图6a)和主俯视图(图6b)示出了根据本发明替选的实施例的自旋振荡器装置，其示出了在两个横向方向和法线方向上的三维同步。
图7a-图7b从侧面截面视图(图6a)和俯视图(图6b)示出了根据本发明的替选的实施例的自旋振荡器装置，其中，附近的导线提供了静态磁场和具有与自旋振荡器不同的频率的微波磁场的组合。自旋振荡器能够注入锁定到微波磁场的频率。
图8以俯视图示出了根据本发明替选的实施例的自旋振荡器装置的线性并联阵列，其中，附加线提供具有单一频率的微波场。能够用控制每个振荡器频率的电流单独地驱动每个自旋振荡器。来自每个自旋振荡器的微波信号被组合在一起。当所有输入电流都使得各个频率接近于微波场频率时，所有振荡器将注入锁定到该频率，从而在被组合时提供大的相干微波输出电压。
图9a-图9b从侧面截面视图(图9a)和顶视图(图9b)示出了根据本发明的替选的实施例的自旋振荡器装置的线性串联阵列，这些自选振荡器装置中的每一个具有提供额外的直流(dc)磁场的附加线。自旋振荡器被设计成使得在没有附加场的情况下，它们在足以使得它们不相互同步的不同的频率上振荡。当附加磁场使得各个频率彼此接近时，所有振荡器将注入锁定到单个联合频率，从而在组合时提供大的相干微波输出电压。
具体实施方式
下面将描述本发明的实施例。
图1a-图1b示出了根据本发明实施例的自旋振荡器装置。
自旋振荡器装置1包括自旋振荡器2，其具有磁性层(也称为自由层)3以及经由自旋霍尔效应将自旋电流提供到磁性层中的相邻层4和5。自旋振荡器装置1被配置为生成局部或传播自旋波(SW)。自旋振荡器2被配置为利用注入电流Idc和/或施加磁场来被控制。在该实施例中，自旋振荡器2是自旋霍尔效应纳米振荡器SHNO，其中，纳米收缩(NC)6被设置在层3、4和5中。
通常，在运行中，充电电流Idc通过自旋振荡器装置1注入，集中在NC 6中、以及将来自层4和5的自旋电流Is驱动到磁性层3中。在其中层4和5二者缺失的替选的实施例中，经由穿过不均匀的磁化的电流，在NC区中驱动固有自旋电流。通常，层4和5的自旋霍尔角被选择为具有相反的符号，以便使它们各自的自旋电流在磁性层3中相长地(constructively)相加。所有自旋电流的净和在层3中激发磁化的振荡。这些振荡在自由层3中生成传播或延伸远离NC 6的局部或传播的自旋波。
可替选地，旋转振荡器2能够省略层4或5中的一个或两个。
可替选地，自由层3能够是复合层和/或多层，其中，不同的磁性和非磁性材料被组合以定制它们的磁性，诸如但不限于磁化强度和方向、磁各向异性强度和方向、自旋波阻尼、自旋极化、和磁阻。
自旋振荡器2通过诸如各向异性磁阻、巨磁阻、或隧道磁阻、或其组合的磁阻效应生成输出信号Vrf。
现在参考图1a和图1b。图1a和图1b以侧视和俯视立体图示出了自旋振荡器装置1，示出了作为非限制性示例的典型堆叠层和纳米收缩。
图1a和图1b示出了如图1所示的自旋霍尔效应纳米振荡器(SHNO)器件1结构。在层3、4和5中的光刻方式限定的纳米收缩6(通常对称且在宽度上为从5nm至500nm、具有通常在相同范围内的曲率半径、具有0至90度的开口角度)用于将电流Idc集中到纳米级区。电流Idc的这种集中生成了激发自由层3中的自旋波所需的必要自旋电流密度。随着穿过纳米收缩NC 6的电流Idc，存在称为奥斯特场(HOe)的圆周磁场，其在NC 6中产生平面内的和平面外的场分量。如果外部施加场(Hext)具有跨在NC 6的宽度是恒定的平面外的分量，那么奥斯特场的净效应是具有NC 6的这些边缘中的一个处的最小的场的非均匀的总场。
如上所述，根据本发明的一个方面，NC 6几何形状、奥斯特场、和外部施加的磁场的独特组合提供了低电流下的自动振荡将在NC 6的具有最低总磁场的边缘处开始。在自振荡的非线性的影响下，存在电流值，在高于该电流值时，自动振荡的最大值将从边缘脱离并在NC 6内部移动。伴随着这种脱离的是自动振荡区通过NC 6和在NC 6外部的两个方向上的扩展。
现在参考图2，其以示出相互同步的主视图示出了根据本发明的实施例的两个自旋振荡器装置。
具有平面外的分量的外部施加场(Hext)被配置为控制两个纳米收缩NC1和NC2中的自动振荡。两个NC在几何形状(例如，宽度、曲率、开口角度)上或者通过自然加工变化或者通过设计有意地不同。不同的几何形状通常会在NC1和NC2中产生不同的自动振荡频率，表示为f1和f2。在驱动电流Idc和外部施加的场(Hext)的组合下，自动振荡区能够充分地膨胀以导致在自动振荡区之间的直接相互作用和自动振荡的最终相互同步，使得f1＝f2。
现在参考图3，其以主视图示出了根据本发明实施例的两个自旋振荡器装置NC1、NC2，其示出了远距离的相互同步。
连接NC1和NC2的桥的开口角度能够在0到90度之间变化，其中，0度意味着具有与NC1和NC2相同宽度的均匀纳米线，并且90度意味着准无限宽桥。在实现长距离相互同步的典型实施例中，开口角度为几度，使得桥中的电流密度高但低于NC1和NC2内的电流密度。以这种方式，自动振荡将在NC1和NC2中开始，但是随着电流的增加，自动振荡区将进一步延伸到桥中，这显著地促进了大距离上的相互同步。
图3中的实施例能够自然地扩展到不止2个的纳米收缩，使得一行不同宽度和曲率的N个纳米收缩通过不同长度和开口角度的桥连接。在典型的实施例中，在除了自然的处理变化之外的情况下，所有NC在名义上相似且所有桥在名义上相似。通过外部施加场和通过NC的行的驱动电流的组合，能够实现NC的部分或完全同步状态。这种振荡器的链能够无限地被延长。因此，原则上能够以菊花链形式连接无数个振荡器。
现在参考图4，其中，各自具有两个纳米收缩的两个行彼此相邻被放置以形成横向二维阵列。外部磁场和通过阵列的驱动电流的组合现在能够经由自动振荡区之间的静磁耦合来促进相邻行的相互同步。以这种方式，能够实现自激振荡区的部分或完全相互同步的二维阵列。
图4中的实施例能够自然地扩展到不止两个行和各自具有不止两个纳米收缩的行，使得实现N乘M个纳米收缩的横向二维阵列。通过外部施加场和通过NC行的驱动电流的组合，能够实现NC的部分或完全同步状态。振荡器的这个阵列能够无限延长。因此，原则上能够在二维中以菊花链方式连接无限数目的振荡器。
现在参考图5a-图5b，其中，两个纳米收缩被放置在彼此的顶部以形成沿着该行延伸且垂直于组分层的平面的方向的二维阵列。外部磁场和通过阵列的驱动电流的组合现在能够经由自动振荡区之间的静磁耦合促进相邻行的相互同步。以这种方式，能够实现自激振荡区的部分或完全相互同步的二维阵列。
图5a-图5b中的实施例能够在垂直于平面的方向上自然地延伸到不止两个纳米收缩6并且延伸到具有不止两个纳米收缩的每个行，使得N乘M个纳米收缩的二位阵列被实现。该振荡器阵列能够无限延长。因此，原则上能够在二维上将无限数目的振荡器菊花链连接，在两个维度中，一个维度与该器件的平面垂直。
现在参考图6，其中，两个行的两个二维阵列10(各自具有两个纳米收缩)被放置在彼此的顶部上，从而形成三维阵列10，该三维阵列10二者在横向上延伸且进入到垂直于组分层的平面的方向。外部磁场和通过阵列的驱动电流的组合现在能够促进相互同步。以这种方式，能够实现自动振荡区的部分或完全相互同步的三维阵列。
图6中的实施例能够在垂直于平面的方向上自然地扩展到不止两个的二维阵列，并且延伸到具有不止两个具有不止两个纳米收缩6的行的每个阵列，使得N乘M乘P个纳米收缩的三维阵列10被实现。该振荡器阵列10能够无限延长。因此，原则上能够在三维上菊花链连接无限数目的振荡器。
现在参考图7，其中，导体11位于自旋振荡器的顶部。导体11能够提供静态磁场和微波磁场的组合。静态场能够用于调谐自旋振荡器的频率。微波场能够注入锁定到自旋振荡器的频率。
现在参考图8，其中，通常将具有不同频率(从几何或材料差异方面)的数个自旋振荡器NC1、NC2、NC3并联连接，使得它们具有各自的驱动电流但它们的微波信号组合在一起。在自旋振荡器的整体之上是导体11，其提供具有频率f的微波场。能够独立控制每个自旋振荡器的频率fi。对于到自旋振荡器的集合体的确定组输入电流Ii，所有fi将足够接近f以注入锁定。由于自旋振荡器的集合体的所组合的输出信号将随着注入锁定的自旋振荡器的数目而强烈增加，因此该微波信号的强度能够被使用为振荡器的集合体已经调整到f的接近程度的度量。对于确定组输入电流，输出信号将是最强的，因此能够使用自旋振荡器的集合体来识别该组。通过调整通过导体的微波电流强度，还能够调整对频率fi必须与f的接近程度的要求。
现在参考图9，其中，通常具有(来自几何或材料差异的)不同频率的多个自旋振荡器NC1、NC2串联连接，使得它们具有相同的驱动电流但生成不同的频率fi。在每个自旋振荡器的顶部是导体，其提供静态磁场以单独调谐该自旋振荡器的频率。因此能够独立地控制每个自旋振荡器的频率fi。对于到导体11的集合体的确定组输入电流Ii，所有fi将彼此足够接近以相互同步。随着自旋振荡器整体的所组合输出信号将随着相互同步的自旋振荡器NC1、NC2的数目而强烈增加，该微波信号的强度能够被使用为振荡器的整体已经调谐到共同频率的接近程度的度量。对于到这些导体的确定组输入电流，输出信号将是最强的，因此能够使用自旋振荡器的集合体来识别该组。通过调整通过自旋振荡器的集合体的电流强度，能够调整它们的相互作用强度，因此也能够调整对频率fi必须彼此匹配的接近程度的要求。
可替选地，导体11能够被用于向每个纳米收缩提供电压，以替代经由磁场而是经由电压控制的各向异性效应来调节局部磁性各向异性，并且因此调节纳米收缩的频率。
根据一个方面，所述装置是可替代地基于磁隧道结。
前面的详细描述旨在说明和提供对本发明的更容易的理解，而不应被解释为限制。在不脱离本发明的精神和范围的情况下，替代实施例对于本领域技术人员来说将变得显而易见。

Claims (12)

1.一种自旋振荡器装置(1)，包括第一自旋霍尔效应纳米振荡器SHNO(2)，所述第一自旋霍尔效应纳米振荡器SHNO(2)具有延伸的多层磁性薄膜堆叠(2)，其中，纳米收缩NC(6)被提供在所述磁性膜堆叠(2)中，所述磁性膜堆叠(2)提供包括磁性自由层(3)和自旋霍尔效应层的SHNO(2，6)并且具有纳米级区，其中，NC(6)被配置为从外部源向所述纳米级区集中电流(Idc)，被配置为在磁性自由层(3)中生成激发磁化自动振荡MAO需要的必要电流密度，其中，周向磁场(HOe)围绕NC(6)，其特征在于，具有基本上平面外的分量的外部施加场(Hext)被配置为控制MAO朝向第二自旋振荡器装置(NC2)的空间扩展，所述第二自旋振荡器装置(NC2)被布置在MAO通信中并且与第一NC(NC1)同步。
2.根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，具有第二频率的至少第二NC(NC2)在MAO通信中相对于第一NC(NC1)被横向堆叠地布置，并且与具有第一频率(f1)的第一NC(NC1)同步，其中，所述第二频率f2＝f1。
3.根据权利要求2所述的自旋振荡器，其中，分别具有第二频率、第三频率和第四频率的至少三个NC(NC2、NC3、NC4)在MAO通信中相对于第一NC(NC1)以菊花链被横向地布置，并且与具有第一频率(f1)的第一NC(NC1)同步，其中，所述第二频率f2、所述第三频率f3和所述第四频率f2＝f3＝f4＝f1。
4.根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，连接两个NC的区在宽度上被定制，以进一步将MAO延伸到连接区中并且增加所述两个NC之间的相互作用强度。
5.根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，多个NC以线性链被布置，其中，能够使所有NC彼此同步，并且多个这种链被横向地布置，以促进相邻链的相互同步，从而实现在两个横向维度上延伸的相互同步的NC的2D阵列。
6.根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，多个NC以线性链被布置，其中，能够使所有NC彼此同步，并且多个这种链被垂直地布置在彼此的顶部上，以促进相邻链的相互同步，从而实现在一个横向维度和一个垂直维度上延伸的NC的2D阵列。
7.根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，多个NC以线性链被布置，其中，能够使所有NC彼此同步，并且多个这种链被横向地布置，以促进相邻链的相互同步，从而实现在两个横向维度上延伸的相互同步的NC的2D阵列，并且多个这种2D阵列被垂直地布置在彼此的顶部上，以促进相邻2D阵列的相互同步，从而实现在垂直维度和两个横向方向上延伸的NC的3D阵列。
8.多个不同的根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，导线被放置在所述自旋振荡器装置附近并且提供具有频率f的微波磁场，使得所述自旋振荡器装置能够与所述微波磁场同步，其中，每个自旋振荡器具有其单独的电流驱动，使得能够单独地控制每个自旋振荡器的频率fi，并且对于给定的电流水平，每个fi能够与其他的不同，其中，所述自旋振荡器装置被设计，使得对于确定的唯一组的驱动电流，每个fi足够接近f，使得大多数或所有自旋振荡器装置注入锁定到所述微波磁场，其中，来自每个自旋振荡器装置的单独的微波信号被组合，并且对于唯一组的驱动电流，这个组合的微波信号具有清楚的最大值，从而识别在所述自旋振荡器装置的组和输入电流之间的匹配。
9.多个不同的根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，一行自旋振荡器装置每个都具有单独的导线，以提供局部磁场或局部电场，以便调谐单独的自旋振荡器的频率fi，其中，所述自旋振荡器装置被设计，使得对于确定的唯一组的局部磁场或电场，每个fi足够接近共同的相互频率f，使得大多数或所有自旋振荡器装置与该共同的单个的频率同步，其中，来自所述自旋振荡器装置的链的微波信号具有清楚的最大值，从而识别在所述自旋振荡器装置的组和输入场之间的匹配。
10.根据权利要求1所述的自旋振荡器装置(1)，其中，以线性链(NC1，NC2)被横向地布置的多个NC被布置为在宽度上是能够调谐的并且彼此偏移地堆叠，以形成NC的2D阵列。
11.一种根据权利要求1-6中的任一项所述的装置在以下中的一个或多个中的使用：自旋电子器件、磁振子、硬盘驱动器(读取头)、微波信号发生器和检测器或畴壁装置。
12.一种根据权利要求7所述的装置的使用，其中，所述自旋振荡器装置(1)是基于磁隧道结的。
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