La anisotropía cristalina pone en marcha osciladores sin campo externo
Contexto
El trabajo queda apartado en el mapa de vecindades: casi no tiene compañía, el vecino más cercano está a una distancia de 0.517. El grupo temático de vecinos es algoritmos cuánticos, corrección de errores, información cuántica y computadoras cuánticas, pero este artículo no trata de computación cuántica, sino de osciladores espintrónicos. Alrededor ya se ha hecho mucho sobre el control de la dinámica de la imanación: la resistencia dibuja ángulos secretos del baile magnético, los resonadores superconductores demuestran efectos de corrientes pequeñas, una cuerda cambia de rigidez en el óxido de cromo, la polarización de las ondas gravitacionales revela patrones del espacio, el espín nacido de una curvatura hace girar el sonido, el sonido en un cristal supera en precisión al cuarzo, la huella de espín de un agujero negro se manifiesta en el rizado de polarización y un microondas para protones mantiene el espín de forma automática. Todos estos trabajos tienen que ver, de una u otra forma, con el control de oscilaciones, espines u ondas, pero ninguno resuelve el problema del sesgo de campo para los nanoosciladores de efecto Hall de espín. Este artículo llena ese hueco: muestra cómo la anisotropía cristalina del Co/Pt epitaxial crea un campo incorporado suficiente para la autooscilación sin imán externo.
Métodos
Las películas de Co(8 nm)/Pt(8 nm)/AlOx(2 nm) se cultivaron por pulverización catódica con magnetrón sobre un sustrato de MgO(110) en ultraalto vacío. El sustrato se recoció a 850 °C en oxígeno para obtener una superficie atómicamente lisa. El cobalto se depositó en dos etapas: 4 nm a 250 °C y 4 nm a temperatura ambiente, para asegurar el crecimiento epitaxial con el eje c en el plano. La estructura se confirmó mediante microscopía electrónica de transmisión con transformada rápida de Fourier. Las nanoestructuras con un estrechamiento de 150 nm de ancho y 50 nm de radio se fabricaron por litografía por haz de electrones y grabado iónico. Los ciclos de histéresis magnética se midieron en un magnetómetro de muestra vibrante. La dinámica se estudió mediante resonancia ferromagnética por par de espín (STFMR) y dispersión Brillouin de luz con microfoco (µ-BLS) con un láser de 532 nm y un punto de 300 nm. La simulación micromagnética se realizó en MuMax3 con parámetros tomados del experimento.
Resultados
El campo de anisotropía obtenido del ciclo de histéresis fue de 0.36 T, y el ajuste de las frecuencias de resonancia con la fórmula de Kittel dio 0.337 T, lo que confirma que la anisotropía cristalina se conserva tras la litografía. Con campo externo nulo y con la imanación remanente a lo largo del eje x, las autooscilaciones aparecían por encima de un umbral de corriente y se mantenían en frecuencias superiores a 10 GHz. Invertir la dirección de la imanación remanente cambiaba la polaridad de la corriente con la que surgen las oscilaciones. La técnica BLS con microfoco mostró que el modo intenso f1 está localizado en la región del estrechamiento, mientras que el modo más débil y ancho f2 se distribuye por todo el dispositivo y se acerca a la resonancia ferromagnética. La corriente umbral disminuía al aumentar el ángulo entre la corriente y el eje de anisotropía, siguiendo la ley Ith = Ith,0 / sin φI. Para ángulos de 105°, 120° y 135°, las dos ramas espectrales se fusionaban gradualmente en una sola dominante, lo que indica una sincronización mutua de los modos de borde. Pulsos de corriente de 70 µs de duración, en presencia de un campo auxiliar, conmutaban la imanación remanente, y la extrapolación de los límites de conmutación dio campos nulos para corrientes de ±17 mA. La simulación micromagnética reprodujo la conmutación en campo nulo y con mayor densidad de corriente.
Implicaciones
El trabajo se distingue de sus vecinos porque utiliza la anisotropía cristalina de una película epitaxial como fuente incorporada de campo efectivo, en lugar de un imán externo o una heteroestructura compleja. Los trabajos cercanos de espintrónica y magnónica estudian resonancias, polarización o automatización, pero no proponen un sesgo de campo integrado en el propio material. Aquí se demuestra por primera vez que la simetría epitaxial del Co/Pt proporciona un campo de 0.36 T, suficiente para autooscilaciones por encima de 10 GHz sin campo externo, y a la vez permite una conmutación no volátil del estado mediante la imanación remanente. Es un paso hacia matrices de osciladores programables localmente, donde cada elemento lleva su propio sesgo y puede inicializarse de forma independiente.
Desarrollo futuro
El desarrollo futuro puede ir en la dirección de reducir el tamaño del estrechamiento para aumentar la densidad de corriente y bajar el umbral de conmutación, con el fin de lograr una programación totalmente libre de campo. También es prometedor integrar muchos osciladores en redes donde la interacción dipolar o de ondas de espín permita crear estados colectivos que codifiquen variables de cómputo. El control del ángulo entre la corriente y el eje cristalino abre el camino a matrices con gradiente, con distintos umbrales y frecuencias en un mismo chip.
Impacto
Los resultados influirán en el desarrollo de sistemas de computación neuromórfica, generadores de microondas para comunicaciones inalámbricas y máquinas de Ising basadas en osciladores, ya que eliminan la necesidad de imanes externos y permiten conmutar los elementos localmente.
Próximos pasos
Los próximos pasos incluyen fabricar nanoconstricciones con mejor resistencia a la corriente para comprobar la conmutación totalmente libre de campo y crear matrices de varios osciladores para estudiar la sincronización mutua sin campo externo.
Problemas abiertos clave
El trabajo se conecta con el problema no resuelto de la escalabilidad de los osciladores espintrónicos: cómo lograr el control individual de los elementos en una red grande sin un campo magnético global. La anisotropía cristalina ofrece una solución local, pero queda la pregunta sobre la estabilidad de la imanación remanente a corrientes altas y sobre la reproducibilidad del crecimiento epitaxial en sustratos industriales.
El campo de anisotropía de 0.36 T es unas 7000 veces más intenso que el campo magnético de la Tierra, y la frecuencia de autooscilación superior a 10 GHz cae dentro del rango que usan los radares y las comunicaciones por satélite.
La idea de osciladores sintonizables sin campo externo conecta con la noción de «chips neuromórficos» de la novela Neuromante, de William Gibson, donde las redes de cómputo imitan a las neuronas biológicas.
Cifras clave
- Campo de anisotropía: 0.36 T
- Frecuencia de autooscilación: por encima de 10 GHz
- Ancho del estrechamiento: 150 nm
- Corriente umbral en campo nulo (extrapolación): ±17 mA
- Duración del pulso de conmutación: 70 µs