Генератор терагерцовых колебаний на основе антиферромагнитных осцилляторов с управлением постоянным током Российский патент 2024 года по МПК H03B15/00 

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано как устройство генерации колебаний в диапазоне 0,1-5 ТГц.

Известен генератор терагерцового излучения (RU 2742569 С1, ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, 02.08.2021) на основе гетероструктуры из последовательно расположенных слоев платины, антиферромагнитного диэлектрика, пьезоэлектрика и электродного слоя. По слою платины пропускается постоянный электрический ток, при этом благодаря спиновому эффекту Холла на границе раздела слоев антиферромагнетика и платины возникает спин-поляризованный ток, который вызывает перенос спинового момента в антиферромагнитный слой. Посредством пьезоэлемента, в котором при приложении управляющего электрического потенциала возникают деформации, возможно изменять величину критического тока, при котором возникают автоколебания намагниченности, частоту затухающих колебаний, и амплитуду выходного сигнала. Недостатком устройства является низкая мощность выходного терагерцового сигнала.

Описан высокочастотный спин-Холловский наногенератор микроволнового излучения (CN 113991012 А, NANJING GUANGQI INSTR EQUIPMENT СО LTD, 28.01.2022) на основе магнитной структуры с наноразмерным контактом. Многослойная структура состоит из верхнего электродного слоя, слоя электроизоляции, тонкопленочного магнитного слоя и слоя немагнитного металла с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Структура подключается к источнику постоянного напряжения. Предложенная структура обладает относительно большим эффектом анизотропного магнитосопротивления, в результате чего колеблющийся магнитный момент вызывает изменение магнитосопротивления и генерацию микроволнового излучения. Кроме того, описан способ объединения нескольких единичных осцилляторов в один массив для синхронизации и получения излучения большей мощности. К недостаткам устройства относятся сложность изготовления структуры, отсутствие возможности управления отдельными элементами в массиве, а также низкие рабочие частоты.

Наиболее близким к патентуемому устройству является генератор терагерцовых колебаний (CN 110504354 А, UNIV ELECTRONIC SCI & TECH CHINA, 26.11.2019 - прототип), представляющий собой массив из единичных устройств, которые состоят из нанометрового антиферромагнитного слоя, расположенного на тонком слое немагнитного металла. Множество единичных устройств соединены последовательно с помощью электродов, расположенных на нижней поверхности тонкопленочного слоя немагнитного металла. По электродному слою протекает постоянный электрический ток заданной плотности, что приводит к возникновению спинового тока в слое антиферромагнетика, благодаря спиновому эффекту Холла. На границе антиферромагнитного слоя и слоя немагнитного металла происходит конвертация спинового тока в переменный электрический. Электрический ток регистрируется с выходных электродов, расположенных на слое немагнитного металла. Предложенный массив осцилляторов терагерцовых волн имеет простую структуру, низкое энергопотребление и легко интегрируется с КМОП (комплементарная структура металл-оксид-полупроводник). Недостаток устройства заключается в отсутствии возможности управления отдельными единичными устройствами.

Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания генератора терагерцовых колебаний, в котором можно перестраивать частоты каждого отдельного осциллятора посредством управления постоянными электрическими токами, с обеспечением высокой мощности.

Массив спин-Холловских терагерцовых осцилляторов представляет собой несколько расположенных в линию антиферромагнитных осцилляторов, соединенных сверху общим слоем немагнитного металла с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Единичное устройство состоит из гетероструктуры на основе последовательно расположенных нижнего слоя немагнитного металла и верхнего антиферромагнитного слоя. В качестве антиферромагнитного материала могут быть выбраны NiO, MnO, FeO или CuO, а немагнитный металл представляет собой Pt, Та или W.

Технический результат - возможность управления синхронизацией связанных осцилляторов с помощью изменения постоянных токов, протекающих по слоям немагнитного металла в единичных осцилляторах.

Существо изобретения представлено на чертежах, где:

Фиг. 1 - структура единичного осциллятора.

Фиг. 2 - массив антиферромагнитных осцилляторов.

Фиг. 3 - спектральные плотности мощности для разного количества синхронизированных осцилляторов.

Фиг. 4 - управление процессом синхронизации и изменение мощности генерируемого сигнала посредством изменения постоянных токов.

На фиг. 1 представлена структура единичного устройства для генерации терагерцовых колебаний, которое представляет собой двухслойную гетероструктуру из последовательно расположенных слоя 1 немагнитного металла и слоя 2 антиферромагнитного материала. 3 - источник постоянного тока.

Слой 1 немагнитного металла может быть выполнен из материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием, таких как Pt, Та или W и может иметь толщину d_NM от 5 нм до 20 нм, ограниченную длиной рассеяния спинов.

Слой 2 антиферромагнитного материала может быть выполнен из двухосного антиферромагнетика с легкой осью анизотропии, например, NiO, MnO, CuO или FeO. Толщина антиферромагнитного слоя d_AFM варьируется от 5 нм до 100 нм, причем, чем меньше толщина слоя 2, тем меньшая плотность тока от источника 3 постоянного электрического тока нужна для генерации высокочастотного выходного сигнала.

На фиг. 2 представлен массив единичных осцилляторов, состоящих из слоя 1 немагнитного металла и слоя 2 антиферромагнитного материала, соединенных в линию общей шиной 4 немагнитного металла, выполненного из того же материала, что и слой 1 немагнитного металла, и имеющего ту же толщину. Частоты каждого отдельного осциллятора управляются с помощью источников 5.1, 5.2, 5.N постоянного электрического тока. Токопроводы выполнены из металла высокой проводимости, например, меди или платины.

Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.

Принцип функционирования массива осцилляторов состоит в следующем.

В единичном осцилляторе, изображенном на фиг. 1, по нижнему слою 1 немагнитного металла (подложка условно не показана) протекает постоянный электрический ток от источника 3 вдоль оси х. На границе раздела слоя 1 немагнитного металла и слоя 2 антиферромагнетика благодаря спиновому эффекту Холла происходит пространственное разделение электронов с разными ориентациями спина, из-за чего появляется спиновый ток js, протекающий перпендикулярно направлению постоянного электрического тока. С помощью возникающего спинового тока осуществляется перенос спинового момента из слоя 1 немагнитного металла в антиферромагнитный слой 2 с противоположно направленными векторами намагниченностей подрешеток M₁ и М₂, что приводит к прецессии намагниченностей в «легкой плоскости» Oyz. В случае, когда плотность постоянного электрического тока от источника 3 превышает критическое значение, определяющееся характеристиками конкретного антиферромагнитного материала, перенос спинового момента компенсирует затухание прецессии намагниченностей, тем самым вызывая терагерцовые колебания. Частота выходного сигнала меняется в зависимости от значения плотности постоянного электрического тока от источника 3.

На фиг. 2 представлен массив соединенных посредством общей шины 4 немагнитного металла единичных осцилляторов, состоящих из слоя немагнитного металла 1 и антиферромагнитного слоя 2. Аналогично конвертации электрического тока в спиновый, благодаря обратному спиновому эффекту Холла спиновый ток преобразуется в переменный электрический ток, протекающий в общей шине 4 немагнитного металла. Таким образом, массив единичных антиферромагнитных осцилляторов является источником ТГц сигнала.

Условием синхронизации осцилляторов в массиве является протекание электрических токов от источников 5.1, 5.2, 5.N, имеющих одинаковые или близкие по значению, соответствующие полосе захвата, плотности по слоям 1 немагнитного металла единичных антиферромагнитных осцилляторов. Синхронизация осцилляторов обеспечивает существенное увеличение мощности выходного сигнала.

На фиг. 3 представлена зависимость мощности выходного сигнала массива терагерцовых осцилляторов от их количества в случае, когда потери и шумы малы, а все осцилляторы в рабочем состоянии и синхронизированы. Мощность одного осциллятора в массиве при этом составляет десятки нВт, в то время как мощность массива из сотен осцилляторов составляет уже десятки мкВт.

На фиг. 4 продемонстрирована возможность управления не только мощностью выходного сигнала с помощью постоянных электрических токов, но также и частотами отдельных групп в массиве связанных терагерцовых осцилляторов. В первом случае по N отдельным слоям 1 немагнитного металла протекают постоянные электрические токи от источников 5.1, 5.2, 5.N, с близкими значениями плотностей, соответствующих полосе захвата. Тогда на выходе наблюдается одномодовый сигнал. Во втором случае через две группы осцилляторов, в каждой из которых содержится по N/2 элементов, протекают два множества электрических токов от источников 5.1, 5.2, 5.N, при этом средние значения плотностей токов из двух разных множеств сильно отличаются друг от друга (минимум в 1,5 раза). В данном случае осцилляторы синхронизированы внутри каждой группы, но между разными группами осцилляторов синхронизация отсутствует, что приводит к наблюдению двухмодового выходного сигнала меньшей мощности.

В более общем случае, N единичных осцилляторов могут быть разбиты на K групп, в каждой из которых содержится по N/K элементов. На выходе наблюдается сигнал меньшей мощности, но содержащий большее число частот в спектре.

ПРИМЕР 1. Генератор состоит из 200 единичных антиферромагнитных осцилляторов, соединенных общим слоем платины толщиной 20 нм. В каждом единичном устройстве нижний слой немагнитного металла наносится магнетронным распылением на изоляционную кремниевую SiO подложку. В качестве антиферромагнетика используется NiO толщиной 5 нм. В качестве немагнитного металла используется платина Pt толщиной 20 нм. Токопроводы выполнены из меди Cu, и их толщина составляет 0.1 мкм. К каждому отдельному нижнему слою платины подключена электрическая схема с источником напряжения порядка мВ и сопротивлением (от 10 Ом до 100 Ом), регулируя которое можно добиться изменения плотности постоянного электрического тока.

ПРИМЕР 2. Генератор состоит из 250 единичных антиферромагнитных осцилляторов, соединенных общим слоем вольфрама толщиной 20 нм. В каждом единичном антиферромагнитном осцилляторе нижний слой немагнитного металла наносится магнетронным распылением на изоляционную сапфировую Al₂O₃ подложку. В качестве антиферромагнетика используется CuO толщиной 20 нм. В качестве немагнитного металла используется вольфрам W толщиной 20 нм. Токопроводы толщиной 0.1 мкм выполнены из меди Cu. К каждому отдельному нижнему слою платины подключена электрическая схема с внешним источником тока величиной порядка мА, которую возможно регулировать.

Таким образом, из приведенных данных следует, что выходной сигнал массива антиферромагнитных спин-Холловских осцилляторов может регулироваться посредством изменения плотностей постоянных электрических токов, протекающих через отдельные слои немагнитного металла, и, тем самым, расширяются функциональные возможности массива.

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано как устройство генерации колебаний в диапазоне 0,1-5 ТГц. Технический результат - возможность управления синхронизацией связанных осцилляторов с помощью изменения постоянных токов, протекающих по слоям немагнитного металла в единичных осцилляторах. Для этого генератор терагерцовых колебаний состоит из единичных осцилляторов, каждый из которых представляет собой двухслойную структуру из слоя немагнитного металла с сильным спин-орбитальным взаимодействием, и расположенного на нем антиферромагнитного слоя, составленных в цепь и связанных общим верхним слоем немагнитного металла. Антиферромагнитный материал представляет собой двухосный антиферромагнитный изолятор с легкой осью анизотропии. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Генератор терагерцовых колебаний, состоящий из матрицы размещенных на подложке N гетероструктур, каждая из которых содержит слой из немагнитного металла, поверх которого нанесен слой антиферромагнитного материала, шины из немагнитного металла и средств приложения постоянного тока, отличающийся тем, что средство приложения постоянного тока представляет собой N индивидуальных независимо регулируемых источников постоянного тока по числу гетероструктур в матрице, каждый из которых присоединен к слоям из немагнитного металла с возможностью протекания тока в плоскости слоев антиферромагнитного материала, при этом общая шина из немагнитного металла для съема сигнала нанесена поверх слоев антиферромагнитного материала.

2. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что антиферромагнитный материал представляет собой NiO.

3. Генератор по п. 1, отличающийся тем, что немагнитный металл представляет собой платину.