Investigation of Factors on The Performance of Spin Torque Nano-Oscillator

Abstract

The spin-torque nano-oscillator (STNO) is a spintronic device that can generate high-frequency signals in the microwave by the magnetization dynamics, which is driven by the spin-transfer torque (STT) phenomenon in a tri-layer magnetic structure. It has high potential applications in wireless communication, microwave-assisted magnetic recording, and neuromorphic computing.

This research aims to study theoretically the STNO using a nano-pillar magnetic tunnel junction (MTJ-STNO) using atomistic model combination with spin accumulation model to study the the effects of current density and relative angle between the magnetization in the pinned layer and free layer. affecting the STNO performance

The results show that optimum current density of relative angle can achieve steady-precessional state of magnetization. The MTJ-STNO can generate a wide range of frequency signals (6.74 GHz to 22.56 GHz) and helps the generated stable signals (high amplitude and linewidth less than 0.35 GHz). Meanwhile, the power consumption of MTJ-STNO is at the microwatt level and varies with the current density. In addition, the utilizing of atomistic model and spin accumulation model enables the development of smaller and more efficient STNO, which will support future applications in communication and magnetic data storage technologies.

เครื่องกำเนิดสัญญาณระดับนาโนที่ขับเคลื่อนด้วยสปินทอร์ค (spin-torque nano-oscillator หรือ STNO) เป็นอุปกรณ์สปินทรอนิกส์ที่สามารถสร้างสัญญาณความถี่สูงในย่านไมโครเวฟโดยอาศัยการเคลื่อนที่ของแมกนิไทเซชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยอาศัยปรากฏการณ์การส่งผ่านสปินทอร์ค (spin-transfer torque หรือ STT) ซึ่งมีศักยภาพสูงในการประยุกต์ใช้ในเทคโนโลยีการสื่อสารแบบไร้สาย การบันทึกข้อมูลเชิงแม่เหล็กที่อาศัยคลื่นไมโครเวฟช่วย และระบบคอมพิวเตอร์ที่เลียนแบบระบบประสาทของมนุษย์ เป็นต้น

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาเชิงทฤษฎีโครงสร้างรอยต่อทะลุผ่านเชิงแม่เหล็ก (magnetic tunnel junction หรือ MTJ-STNO) โดยใช้แบบจำลองแม่เหล็กระดับอะตอมร่วมกับแบบจำลองการสะสมสปิน เพื่อศึกษาผลกระทบของความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าและมุมสัมพัทธ์ระหว่างแมกนิไทเซชันในชั้นพินและชั้นอิสระต่อประสิทธิภาพของ MTJ-STNO

ผลการศึกษาพบว่า เมื่อป้อนค่าความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าที่เหมาะสมต่อมุมสัมพัทธ์ ทำให้แมกนิไทเซชันเคลื่อนที่วนรอบด้วยมุมคงที่ (steady-precessional state) และสามารถสร้างสัญญาณความถี่ที่หลากหลาย (6.74 GHz ถึง 22.56 GHz) และมีเสถียรภาพสูง (แอมพลิจูดสูงและความกว้างของสัญญาณแคบ