CN112310787B - 一种自旋纳米振荡器频率调制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于频率调制领域，提供了一种自旋纳米振荡器频率调制方法，具体包括：在基于STNO的MTJ模型中，沿垂直于易轴方向上施加强度为H1的过冲磁场，使得磁矩频率快速变化至预设频率，减小所述磁场的强度至H2，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，从而实现快速调制STNO的频率的目的。

Description

一种自旋纳米振荡器频率调制方法
技术领域
本发明涉及频率调制领域，尤其涉及一种自旋纳米振荡器频率调制方法。
背景技术
自旋纳米振荡器(SpinTorque Nano-oscillator，STNO)是基于磁性隧道结(Magnetic Tunnel Junction,MTJ)构建的新一代振荡器。在磁性隧道结结构中(包括自由层/隔离层/钉扎层)，当一定大小的自旋极化电流通过时，其带来的自旋转移力矩(SpinTransfer Torque,STT)会引起自由层磁矩的稳定进动，进而导致电阻发生高频变化，将输入的直流信号转换为高频振荡的微波信号。STNO因其可以通过电流和磁场进行频率调制而在电信领域富有前景。对技术应用来说，STNO的最大调制速率一直是一个重要的参数。有关于面内磁化的STNO的研究表明，射频电流对频率调制的最大可达速率受到幅度弛豫速率的限制，为其实际应用带来了诸多不便。
A.Purbawati等人2016年在《APPLIED PHYSICS LETTERS》发表文章提出可以保持电流直流不变，采用磁场调制的方法，其中磁场的方向可以沿着易磁轴或者垂直于易磁轴以打破频率调制速率的限制。如图1所示，为沿着易磁轴或者垂直于易磁轴进行磁场调制的磁矩频率变化图，图1(a)演示了在沿垂直于易轴的方向施加磁场时磁矩振荡频率的变化情况。当在20ns处施加磁场强度为ΔH的磁场后，磁矩振荡频率缓慢地从5GHz降低到4GHz，并未发生任何突变。而图1(b)演示了在沿着平行于易轴的方向施加磁场时磁矩振荡频率的变化情况，当在20ns处施加磁场强度为ΔH的磁场后，磁矩振荡频率产生了突变快速降低到4.4GHz左右，但之后仍然沿着与图1(a)变化相似的运动轨迹降低到4GHz。上述两种方法的结果均导致磁矩振荡频率变化至4GHz所花费的总时间都在30ns左右。
因此，研究表明A.Purbawati等人提出的方法并未从根本上打破频率调制速率的限制，因为它并没有改变频率调制时磁矩振荡频率变化的轨迹，也没有改变磁矩振荡频率变化所需的总时间。
因此，需要研究出一种能够打破幅度弛豫速率限制的频率调制方法，使STNO能够更加快速地实现频率调制。
发明内容
为了解决现有技术中STNO的最大频率调制速率受到幅度弛豫速率限制的技术问题，本发明提供了一种自旋纳米振荡器频率调制方法，本发明通过在垂直于易轴的方向上先施加一个较大磁场(第一磁场)，让磁矩频率快速地变化到所需要的频率，再减小在垂直于易轴的方向上施加的磁场强度，即施加一个较小磁场(第二磁场)，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，从而实现加快STNO的频率调制速率的目的。
本发明提供了一种自旋纳米振荡器频率调制方法，具体包括：
基于STNO的MTJ模型中，在沿垂直于易轴方向上施加强度为H1的过冲磁场；
待磁矩频率变化至预设频率时，减小所述磁场的强度至H2。
优选的，所述方法还包括：保持通过STNO的电流直流不变。
优选的，过冲磁场强度与减小后的磁场强度之比H1/H2≥2。
优选的，所述预设频率为4GHz。
优选的，H1＞400Oe。
本发明中通过在垂直于易轴的方向上先施加一个较大磁场，强度为H1的过冲磁场，使得磁矩频率快速变化至预设频率，减小所述磁场的强度至H2，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，从而实现快速调制STNO的频率的目的。
附图说明
1、图1为现有技术提供的沿着易磁轴或者垂直于易磁轴方向进行磁场调制的磁矩频率变化图；
2、图2为本发明实施例提供的一种自旋纳米振荡器频率调制方法流程示意图；
3、图3为本发明实施例提供的STNO的MTJ模型；
4、图4为本发明实施例提供的沿垂直于易磁轴方向施加过冲磁场调制STNO的频率的磁矩频率变化图。
最佳实施方式
为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明所提供的一种自旋纳米振荡器频率调制方法，下面将结合附图对其进行详细的说明。
如图2所示，本发明实施例提供了一种自旋纳米振荡器频率调制方法，具体包括以下步骤：
S1：基于STNO的MTJ模型中，在沿垂直于易轴方向上施加强度为H1的过冲磁场；
S2：待磁矩频率变化至预设频率时，减小所述磁场的强度至H2。
需要说明的是，本发明实施例所采用的STNO的MTJ模型如图3所示，其中，z轴是平行于易轴的方向，x轴为垂直于易轴的方向。
保持通过STNO的电流直流不变。
首先在沿垂直于易轴方向上施加一个磁场强度为H1的过冲磁场，让磁矩的振荡频率沿着较陡的斜率快速变化到所需的目标振荡频率。
当STNO的磁矩频率变化至预设频率时，再减小沿垂直于易轴方向上施加的过冲磁场的磁场强度，减小至H2，即，此时在沿垂直于易轴方向上施加一个强度为H2的磁场。
当沿垂直于易轴方向上施加的过冲磁场的磁场强度，减小至H2时，让STNO的磁矩频率变化回归至小磁场时的变化轨迹，参照图1所示，此时，STNO的磁矩频率变化保持稳定，从而实现快速调制STNO的频率至预设频率。
其中H1根据实际情况可为2ΔH、2.5ΔH、3ΔH等，H2可取值为ΔH。目标振荡频率是预先设定，比如，需要将STNO的频率调制到4GHz，则预设频率可设定为4GHz。其中，ΔH＝400Oe。
优选的，过冲磁场强度与减小后的磁场强度之比H1/H2≥2。
如图4所示，本发明实施例提供的沿垂直于易磁轴方向施加过冲磁场调制STNO的频率的磁矩频率变化图，当在20ns处施加一个3ΔH的大磁场后，如图4(b)磁矩振荡频率从5GHz开始沿着曲线快速下降。当下降到4GHz处时，减小所加磁场的大小到ΔH，让其回归到如图4(a)所示的运动轨迹的振荡频率为4GHz的稳定段上，图4(a)示出了在沿垂直于易磁轴方向上于20ns处施加磁场大小为ΔH的恒定不变磁场，STNO的磁矩频率变化的运动轨迹。图4(d)示出了在垂直于易磁轴方向上所施加的过冲磁场随时间的变化。
根据图4(c)的运动轨迹可知，采用本发明实施例的技术方案进行STNO频率调制所花费的总时间为2-3ns，远远小于现有技术中采用沿易磁轴或者垂直于易磁轴方向上施加一个磁场大小为ΔH的恒定不变磁场而调制STNO频率至所需频率所花的总时间30ns。
因此，可以看出，本发明实施例通过在垂直于易磁轴方向上施加加过冲磁场脉冲然后待磁矩频率变化至预设频率时，再减小所施加磁场的强度大小，以使磁矩频率变化回归至平稳，使得STNO频率调制至所需频率所花的总时间极大的缩短了，相较于仅在垂直于易磁轴方向上施加磁场强度ΔH的不变磁场，使得STNO的磁矩振荡频率变化到所需频率的时间具有很大的优势，加快了STNO频率调制的速度。
综上所述，本发明通过在垂直于易轴的方向上先施加一个较大磁场，使STNO的磁矩振荡频率快速变化至预设频率，待磁矩频率变化至预设频率时，减小所述磁场的强度至H2，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，从而实现快速调制STNO的频率的目的。
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (3)

1.一种自旋纳米振荡器频率调制方法，其特征在于：
基于STNO的MTJ模型中，在沿垂直于易轴方向上施加强度为H1的过冲磁场，H1＞400Oe；
待磁矩频率变化至预设频率时，减小所述磁场的强度至H2，H1/H2≥2。
2.根据权利要求1所述的自旋纳米振荡器频率调制方法，其特征在于，还包括：保持通过STNO的电流直流不变。
3.根据权利要求1所述的自旋纳米振荡器频率调制方法，其特征在于，所述预设频率为4GHz。
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