Синхронізація та генерування електромагнітних сигналів у спінтронних магнітних наноструктурах

Сулименко О. Р. Синхронiзацiя та генерування електро-
магнiтних сигналiв у спiнтронних магнiтних наноструктурах. –
Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису.
Дисертацiя на здобуття наукового ступеня кандидата фiзико-
математичних наук (доктора фiлософiї) за спецiальнiстю 01.04.03
«радiофiзика». – Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса
Шевченка, Київ, 2019.
Дисертацiя присвячена аналiтичному та числовому аналiзу процесiв
синхронiзацiї електромагнiтних сигналiв у спiнтронних магнiтних
наноструктурах (СМНС) та дослiдженню умов генерацiї електромагнiтних
сигналiв терагерцового дiапазону частот (ТГц-дiапазону) у пристроях на
основi СМНС. Дисертацiя складається з п’яти роздiлiв.
Перший роздiл присвячено огляду лiтератури за темою дисертацiї,
розглянуто основнi ефекти, що зумовлюють процеси генерацiї та
синхронiзацiї сигналiв у СМНС, особливостi будови СМНС, що
дослiджувалися.
У другому роздiлi дисертацiї представлено результати дослiдження
властивостей взаємної фазової синхронiзацiї масиву спiнтронних магнiтних
наноосциляторiв (СМНО). Вперше описано числову модель взаємної фазової
синхронiзацiї довiльної кiлькостi слабко зв’язаних СМНО, яка враховує
розкид їхнiх власних параметрiв. Синхронiзацiя СМНО дозволяє досягти
збiльшення потужностi вихiдного сигналу вiд масиву СМНО, зменшення
ширини лiнiї генерацiї, збiльшення частотної стабiльностi генерованого
сигналу. За допомогою узагальненої моделi фазової синхронiзацiї з
використанням наближення «глобального зв’язку» було числовими методами3
проаналiзовано ефективнiсть синхронiзацiї для масивiв з рiзною кiлькiстю
СМНО. Використання наближення «локального зв’язку» дозволило
дослiдити вплив розташування СМНО один вiдносно одного на ефективнiсть
синхронiзацiї. Було продемонстровано використання цiєї моделi для двох,
трьох, п’яти, десяти та двадцяти СМНО. Вперше було показано, що для
двовимiрних масивiв iснує оптимальна вiдстань мiж найближчими СМНО, за
якої синхронiзацiя є найбiльш ефективною i ця вiдстань суттєво залежить вiд
геометрiї системи. Розраховано дiаграми станiв масивiв СМНО, якi можуть
бути корисними пiд час розробки, створення чи оптимiзацiї практичних
мiкрохвильових пристроїв з масивами синхронiзованих СМНО.
Третiй роздiл дисертацiї присвячено дослiдженню механiзмiв
генерацiї сигналiв ТГц-дiапазону частот у пристроях на основi спiнових
осциляторiв Холла (СОХ). Вперше було запропоновано використовувати
в двошаровiй структурi СОХ, що складається з шару платини (Pt) та
шару антиферомагнетика (АФМ) з двовiсною анiзотропiєю, де вектори
намагнiченостi пiдґраток АФМ є скошеними в легкiй площинi за рахунок
взаємодiї Дзялошинського–Морiя (ВДМ). Коли сталий електричний струм
протiкає в шарi Pt, завдяки спiновому ефекту Холла виникає спiновий
струм в перпендикулярному напрямку, який, проникаючи в АФМ шар,
пiдводить намагнiченостi пiдґраток АФМ з легкої площини, що приводить
до взаємодiї намагнiченостей пiдґраток з внутрiшнiм обмiнним полем
АФМ. Намагнiченостi пiдґраток АФМ i, як наслiдок, їх ненульова сума,
починають прецесувати навколо важкої осi анiзотропiї АФМ з частотою, що
пропорцiйна спiновому струму та величинi обмiнного поля АФМ. Обертання
сумарної намагнiченостi буде викликати магнiтодипольне випромiнювання,
яке можна акумулювати за допомогою зовнiшнього резонатора. Теоретично
було продемонстровано, що частоти випромiнювання в дiапазонi 0.05 –
2 TГц можливо отримати при реалiстичних величинах густини струму.
Також було оцiнено потужнiсть сигналу для рiзних систем на основi4
АФМ СОХ. Проаналiзовано параметри джерел на основi АФМ СОХ,
вмiщених у високочастотнi хвилеводи та резонатори, проведено порiвняння
їх параметрiв з iснуючими джерелами ТГц-дiапазону та показано, що
на вiдмiну вiд них АФМ СОХ є значно компактнiшими та працюють
за кiмнатних температур. Було показано, що потужнiсть сигналу, що
випромiнюється, зростає зi збiльшенням частоти обертання намагнiченостей
пiдґраток АФМ i може перевищувати 1 мкВт при f = 0.5 TГц для
джерела на основi СОХ, вмiщеного в дiелектричний резонатор зi значенням
дiелектричної проникностi ε ∼ 10 i добротнiстю Q ∼ 750. Отриманi
результати можуть бути використанi для створення практичних конструкцiй
мiнiатюрних генераторiв випромiнювання ТГц-дiапазону.
У четвертому роздiлi дисертацiї дослiджено процес генерацiї сигналу
ТГц-дiапазону в новому типi джерела на основi антиферомагнiтного
тунельного контакту (АТК), де генерований сигнал отримується за
рахунок змiнного анiзотропного тунельного магнiтоопору (АТМО). Джерело
сигналу являє собою шарувату структуру, що складається з шару Pt
та шару металiчного АФМ, вiддiленого тонким прошарком MgO вiд
iншого шару Pt. Електричний сталий струм, що протiкає в першому
шарi Pt, за рахунок спiнового ефекту Холла створює перпендикулярний
спiновий струм, який збуджує прецесiю намагнiченостей пiдґраток АФМ. Цi
коливання, завдяки ефекту АТМО, призводять до перiодичної змiни опору
структури. При протiканнi сталого струму крiзь таку структуру отримується
джерело змiнної напруги, яке створюватиме високочастотний змiнний
сигнал на навантаженнi, пiд’єднаному до АТК. Визначено потужнiсть
вихiдного сигналу та ефективнiсть перетворення енергiї вищеописаного
Pt/AФМ/MgO/Pt-джерела та було продемонстровано, що оптимiзацiя
геометричних параметрiв АТК дозволяє отримати потужнiсть, що перевищує
1 мкВт на частотi 0,5 TГц з ефективнiстю не менше одного вiдсотка.
Незважаючи на те, що ефективнiсть методу АТМО для отримання сигналу5
зменшується зi збiльшенням частоти генерацiї, можна стверджувати, що цей
метод може бути використаний для практичної реалiзацiї джерел сигналiв з
частотою до кiлькох терагерц через його вiдносну простоту i зручнiсть.
У п’ятому роздiлi дисертацiї за допомогою аналiтичного та числового
аналiзу було продемонстровано, що в СОХ з дiелектричним АФМ шаром
з двовiсною анiзотропiєю можна використовувати для генерацiї дуже
коротких дельта-подiбних iмпульсiв. Показано, що тривалiсть дельта-
подiбних iмпульсiв становить кiлька пiкосекунд для типових АФМ i
визначається магнiтною анiзотропiєю в легкiй площинi та ефективним
згасанням АФМ. Продемонстровано, що генерацiя вiдбувається лише
тодi, коли амплiтуда керуючого сигналу перевищує певний порiг, подiбно
до поведiнки бiологiчного нейрона у вiдповiдь на зовнiшнiй подразник.
Вихiдний сигнал може складатися з одного дельта-подiбного iмпульсу
або окремої групи дельта-подiбних iмпульсiв, i залежить вiд частоти,
амплiтуди та форми зовнiшнього керуючого сигналу. «Порогова» поведiнка
запропонованого АФМ генератора дельта-подiбних iмпульсiв дозволяє
практично застосовувати його не тiльки для задач традицiйної обробки НВЧ
сигналiв, наприклад iмпульсно-кодованої модуляцiї, але i в нейроморфних
схемах, що матимуть тактовi частоти у десятки гiгагерц. Уперше
було продемонстровано, що систему слабкозв’язаних АФМ СОХ можна
використовувати як надшвидкiсну логiчну схему для нейроморфних
обчислень, де кожен СОХ працює як окремий «нейрон». Було показано, що
на вiдмiну вiд iснуючих напiвпровiдникових логiчних схем, запропонованi
схеми на основi AФM СОХ можуть бути реалiзованi з використанням меншої
кiлькостi активних елементiв (наприклад, тiльки один АФМ СOХ потрiбен
для реалiзацiї логiчної операцiї «Majority Gate»). Продемонстровано, що
робочi частоти запропонованих схем з AФМ СОХ у 100–1000 разiв бiльше, нiж
у феромагнiтних нейроморфних логiчних систем, що робить запропонованi
схеми на основi AФM СОХ перспективними для надшвидких обчислень.Уперше продемонстровано за допомогою числового моделюванням, що один
АФМ «нейрон» може виконувати логiчнi операцiї, такi як «Та», «Або»,
«Majority Gate», «Q-Gate», в той час як схема, що складається з невеликої
кiлькостi n < 5 АФМ «нейронiв», може функцiонувати як повний двiйковий
суматор або як динамiчне кiльце пам’ятi зi змiнною тактовою частотою
iмпульсних сигналiв, що циркулюють в кiльцi. Було показано, що тактовi
частоти, час вiдгуку та швидкодiя таких логiчних пристроїв на основi АФМ
СОХ робить їх перспективними в якостi базових елементiв надшвидкого
високоефективного нейроморфного обчислення.
Ключовi слова: взаємна синхронiзацiя коливань, спiнтронний магнiтний
наноосцилятор, спiновий осцилятор Холла, генерацiя дельта-подiбних
iмпульсiв, терагерцовий дiапазон частот.