Спектральный анализ сигналов с использованием спин-трансферного наноосциллятора в режиме синхронизации (в порядке дискуссии)
Аннотация
Исследован спектральный анализ сигналов с использованием спин-трансферного наноосциллятора в режиме внешней фазовой синхронизации. Работа мотивирована исследованиями в области спинтроники, спин-трансферных наноосцилляторов (СТНО), нейроморфных вычислений. В настоящее время ведутся активные исследования по созданию миниатюрных источников колебаний в диапазоне сверхвысоких частот. Одними из перспективных кандидатов на эту роль являются СТНО, обладающие размерами в десятки и сотни нанометров и перестраиваемые в диапазоне от долей до десятков гигагерц. Основной недостаток таких генераторов — низкая выходная мощность генерируемых колебаний, достигающая сотен нановатт. Одним из способов повышения мощности устройств на базе СТНО является объединение их в ансамбли с целью синхронизации и сложения мощностей. Известны различные механизмы внешней и взаимной синхронизации СТНО, например, с помощью схем фазовой автоподстройки частоты. Несмотря на большое количество работ в области синхронизации СТНО, многие задачи до сих пор не решены. Предложено использовать СТНО как детектор СВЧ-сигналов, работающий в режиме фазовой синхронизации. Это позволило бы сконструировать спектроанализатор, функционирующий при малых мощностях входного (анализируемого) сигнала (вплоть до единиц пиковатт). Проведено компьютерное моделирование основных режимов работы данного анализатора и найдены основные рабочие характеристики (предельная чувствительность и максимальная скорость сканирования). Исследована математическая модель синтезатора на базе СТНО и методами теории колебаний аналитически определены его основные рабочие характеристики, сравниваемые с аналогичными, полученными численными методами. Полученные результаты могут использоваться при экспериментальном исследовании анализаторов спектра на базе СТНО и различных устройств спинтроники.
Литература
2. Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Mutual Phase Locking of Very Nonidentical Spin Torque Nanooscillators via Spin Wave Interaction // Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2014. V. 67. P. 20601.
3. Сафин А.Р., Митрофанов А.А., Удалов Н.Н., Капранов М.В. Синхронизация спин-трансферных наноосцилляторов // Вестник МЭИ. 2015. № 1. С. 96—100.
4. Mitrofanov A.A., Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Theory of Spin-torque Nano-oscillator-based Phase-locked Loop // J. Appl. Phys. 2017. V. 122 P. 123903.
5. Prokopenko O.V. e. a. Spin-torque Microwave Detectors. Springer, 2013. Pp. 143—161.
6. Kreissig M. e. a. Vortex Spin-torque Oscillator Stabilized by Phase Locked Loop Using Integrated Circuits // AIP Advances. 2017. V. 7. P. 056653.
7. Awad A. e. a. Long-range Mutual Synchronization of Spin Hall Nano-oscillators // Nat. Phys. 2016. V. 14. Pp. 1—9.
8. Louis S. e. a. Low Power Microwave Signal Detection with a Spin-torque Nano-oscillator in the Active Self-oscillating Regime // Trans. on Magn. Intermag. 2017. Pp. 1—5.
9. Сафин А.Р., Удалов Н.Н., Бичурин М.И., Петров Р.В., Татаренко А.С. Нагрузочные характеристики спин-трансферного наноосциллятора // Письма в ЖТФ. 2017. № 6. С. 56—63.
10. Дворников А.А., Уткин Г.М. Автогенераторы в радиотехнике. М.: Радио и связь, 1991.
11. Tamaru S. е. а. // Measurement of Shot Noise in Magnetic Tunnel Junction and its Utilization for Accurate System Calibration // Journ. of Appl. Phys. 2017. V. 122. P. 193901.
12. Lebrun R. e. a. Nonlinear Behavior and Mode Coupling in Spin-transfer Nano-oscillators // Phys. Rev. Appl. 2014. V. 6. P. 061001.
13. Lebrun R. e. a. Mutual Synchronization of Spin Torque Nanooscillators Through a Long-range and Tunable Electrical Coupling Scheme // Nat. Comm. 2017. V. 8. P. 15825.
14. Sharma A.A., Bain J.A., Weldon J.A. Phase Coupling and Control of Oxide-based Oscillators for Neuromorphic Computing // IEEE J. Exploratory Solidstate Computational Devices and Circuits. 2015. V. 1. Pp. 58—66.
15. Mizrahi A. e. a. Magnetic Stochastic Oscillators: Noise-induced Synchronization to Underthreshold Excitation and Comprehensive Compact Model // IEEE Trans. Magnetics. 2015. V. 51. Pp. 1—4.
16. Rippard W., Pufall M., Kos A. Time Required to Injection-lock Spin Torque Nanoscale Oscillators // Appl. Phys. Lett. 2013. V. 103. P. 182403.
17. Kumar D. e. a. Coherent Microwave Generation by Spintronic Feedback Oscillator // Sci. Rep. 2016. V. 6. P. 30747.
18. Tamaru S., Kubota H., Yakushiji K., Yuasa S., Fukushima A. Extremely Coherent Microwave Emission from Spin Torque Oscillator Stabilized by Phase Locked Loop // Sci. Rep. 2015. V. 5. P. 18134.
19. Dixit D., Konishi K., Tomy C.V., Suzuki Y., Tulapurkar A.A. Spintroics Oscillator Based on Magnetic Field Feedback // Appl. Phy. Lett. 2012. V. 101. P. 122410.
20. Choi H.S. e. a. // Spin Nano-oscillator Based Wireless Communication // Sci. Rep. 2014. V. 4. P. 5486.
---
Для цитирования: Сафин А.Р., Митрофанов А.А., Удалов Н.Н., Капранов М.В. Спектральный анализ сигналов с использованием спин-трансферного наноосциллятора в режиме синхронизации // Вестник МЭИ. 2018. № 5. С. 166—171. DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-166-171.
#
1. Slavin A., Tiberkevich V. Nonlinear Auto-Oscillator Theory of Microwave Generation by Spin-Polarized Current. IEEE Trans. Mag. 2009;45:1875—1918.
2. Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Mutual Phase Locking of Very Nonidentical Spin Torque Nanooscillators via Spin Wave Interaction. Eur. Phys. J. Appl. Phys. 2014;67:20601.
3. Safin A.R., Mitrofanov A.A., Udalov N.N., Kapranov M.V. Sinhronizaciya Spin-transfernyh Nanooscillyatorov. Vestnik MPEI. 2015;1:96—100. (in Russian).
4. Mitrofanov A.A., Safin A.R., Udalov N.N., Kapranov M.V. Theory of Spin-torque Nano-oscillatorbased Phase-locked Loop. J. Appl. Phys. 2017;122:123903.
5. Prokopenko O.V. e. a. Spin-torque Microwave Detectors. Springer, 2013:143—161.
6. Kreissig M. e. a. Vortex Spin-torque Oscillator Stabilized by Phase Locked Loop Using Integrated Circuits. AIP Advances. 2017;7:056653.
7. Awad A. e. a. Long-range Mutual Synchronization of Spin Hall Nano-oscillators. Nat. Phys. 2016;14:1—9.
8. Louis S. e. a. Low Power Microwave Signal Detection with a Spin-torque Nano-oscillator in the Active Self-oscillating Regime. Trans. on Magn. Intermag. 2017:1—5.
9. Safin A.R., Udalov N.N., Bichurin M.I., Petrov R.V., Tatarenko A.S. Nagruzochnye Harakteristiki Spin-transfernogo Nanooscillyatora. Pis'ma v ZHTF. 2017; 6:56—63. (in Russian).
10. Dvornikov A.A., Utkin G.M. Avtogeneratory v Radiotekhnike. M.: Radio i Svyaz', 1991. (in Russian).
11. Tamaru S. е. а. Measurement of Shot Noise in Magnetic Tunnel Junction and its Utilization for Accurate System Calibration. Journ. of Appl. Phys. 2017;122:193901.
12. Lebrun R. e. a. Nonlinear Behavior and Mode Coupling in Spin-transfer Nano-oscillators. Phys. Rev. Appl. 2014;6:061001.
13. Lebrun R. e. a. Mutual Synchronization of Spin Torque Nanooscillators Through a Long-range and Tunable Electrical Coupling Scheme. Nat. Comm. 2017;8:15825.
14. Sharma A.A., Bain J.A., Weldon J.A. Phase Coupling and Control of Oxide-based Oscillators for Neuromorphic Computing. IEEE J. Exploratory Solidstate Computational Devices and Circuits. 2015;1:58—66.
15. Mizrahi A. e. a. Magnetic Stochastic Oscillators: Noise-induced Synchronization to Underthreshold Excitation and Comprehensive Compact Model. IEEE Trans. Magnetics. 2015;51:1—4.
16. Rippard W., Pufall M., Kos A. Time Required to Injection-lock Spin Torque Nanoscale Oscillators. Appl. Phys. Lett. 2013;103:182403.
17. Kumar D. e. a. Coherent Microwave Generation by Spintronic Feedback Oscillator. Sci. Rep. 2016;6:30747.
18. Tamaru S., Kubota H., Yakushiji K., Yuasa S., Fukushima A. Extremely Coherent Microwave Emission from Spin Torque Oscillator Stabilized by Phase Locked Loop. Sci. Rep. 2015;5:18134.
19. Dixit D., Konishi K., Tomy C.V., Suzuki Y., Tulapurkar A.A. Spintroics Oscillator Based on Magnetic Field Feedback. Appl. Phy. Lett. 2012;101:122410.
20. Choi H.S. e. a.. Spin Nano-oscillator Based Wireless Communication. Sci. Rep. 2014;4:5486.
---
For citation: Safin A.R., Mitrofanov A.A., Udalov N.N., Kapranov M.V. Spectral Analysis of Signals Using a Spin-Transfer Nanooscillator in the Phase-Locking Regime. MPEI Vestnik. 2018;5:166—171. (in Russian). DOI: 10.24160/1993-6982-2018-5-166-171.
