Genom att använda innovativa magnetiska material, ett internationellt forskarsamarbete har gjort ett genombrott i utvecklingen av mikrovågsdetektorer – enheter som kan känna av svaga mikrovågssignaler som används för mobil kommunikation, radar, och andra applikationer. Teamets detektorer är kompakta och ger rekordhög känslighet. De är kända som spin-torque microwave detectors (STMDs), eftersom de använder elektronernas spinn för att upptäcka mikrovågssignaler, till skillnad från befintliga detektorer, som använder elektronladdningen. SINANO-teamets förbättrade detektor har stor potential att användas i framtida telekommunikationer, sensornätverk, och internet of things.
STMD:s kärnkomponent är sammansatt av två distinkta magnetiska lager. Ett lager har en referensriktning, vilket betyder att dess nord- och sydmagnetiska poler är fixerade i rymden. Det andra lagrets magnetiska riktning kan ändras som svar på en mikrovågsström som flyter genom det. Detta tillåter strukturen att producera en spänning som svar på en extern mikrovågssignal. STMD:s viktigaste fördel gentemot befintliga teknologier är att kombinera stor detekteringskänslighet vid låg ineffekt för att detektera även mycket svaga signaler. Den kombinerar också energieffektivitet med storlek i nanoskala.
Hittills, dock, detektionskänsligheten hos STMD har huvudsakligen förlitat sig på appliceringen av externa magnetfält, som hindrar implementeringen av dem för praktiska tillämpningar, vilket kräver användning av en skrymmande permanentmagnet.
Genom att använda magnetiska skikt med vinkelrät magnetisk anisotropi – liknande de som används i magnetiskt spinnöverföringsvridmomentminne (STT-MRAM) – visade SINANO-teamet en rekordhög detektionskänslighet vid rumstemperatur utan några externa förspänningsfält, och för låg ineffekt (mikrowatt eller lägre). Känsligheten är 20 gånger högre än de senaste Schottky-dioddetektorerna. Detta eliminerar behovet av att flytta ett stort antal elektroner genom ledningar, och eliminerar även behovet av permanentmagneter eller ledande spolar för att tillhandahålla förspänningsmagnetfältet, sparar därmed både energi och utrymme avsevärt. STMD-enheter kan skalas ner till nanometerstorlek (0,07 μm 2 i studien), vilket gör dem potentiellt lämpliga för kompakta mikrovågsdetektorer på chip.
"Tidigare, det hade inte förekommit någon demonstration av en STMD med tillräckligt hög detektionskänslighet vid låg ineffekt, och samtidigt utan behov av ett externt magnetfält, förhindrar därmed praktiska tillämpningar, " sa den ledande forskaren Z. M. Zeng, SINANO professor vid SINANO Nanofabrication Facility. "Vi har realiserat alla dessa krav i en enda enhet."
"Hög känslighet för en ultralåg mikrovågssignal i noll magnetfält är spännande för trådlösa applikationer. Detta arbete presenterar en ny väg för utvecklingen av nästa generations mikrovågsdetektorer på chip." sade medförfattaren G. Finocchio, som är biträdande professor vid universitetet i Messina, Italien.
"Framväxande spintronic-enheter har potential att förändra elektronikindustrin, möjliggör dramatiska förbättringar av energieffektivitet och prestanda. Ett omedelbart exempel är det snabbt växande området av icke-flyktigt magnetiskt minne (MRAM). Detta arbete visar att spintronic-enheter också kan ge praktiskt värde i en annan klass av applikationer, nämligen mikrovågsdetektorer i nanoskala, " sa Pedram Khalili, en adjungerad biträdande professor vid UCLA och medförfattare till uppsatsen. "Dessa enheter kan integreras i CMOS back-end tillverkningsprocesser, potentiellt möjliggöra deras integration i system på ett chip."
Pappret, "Giant spin-moment diode sensitivity in the absence of bias magnetic field" har publicerats online i tidskriften Naturkommunikation .
