一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法与流程

[0001]
本发明涉及频率调制领域，尤其涉及一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法。


背景技术：

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自旋纳米振荡器(spin torque nano-oscillator，stno)是基于磁性隧道结(magnetic tunnel junction,mtj)构建的新一代振荡器。在磁性隧道结结构中(包括自由层/隔离层/钉扎层)，当一定大小的自旋极化电流通过时，其带来的自旋转移力矩(spin transfer torque,stt)会引起自由层磁矩的稳定进动，进而导致电阻发生高频变化，将输入的直流信号转换为高频振荡的微波信号。stno因其可以通过电流和磁场进行频率调制而在电信领域富有前景。对技术应用来说，stno的最大调制速率一直是一个重要的参数。有关于面内磁化的stno的研究表明，射频电流对频率调制的最大可达速率受到幅度弛豫速率的限制，为其实际应用带来了诸多不便。
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a.purbawati等人2016年在《applied physics letters》发表文章提出可以保持电流直流不变，采用磁场调制的方法，其中磁场的方向可以沿着易磁轴或者垂直于易磁轴以打破频率调制速率的限制。如图1所示，为沿着易磁轴或者垂直于易磁轴进行磁场调制的磁矩频率变化图，图1(a)演示了在沿垂直于易轴的方向施加磁场时磁矩振荡频率的变化情况。当在20ns处施加磁场强度为δh的磁场后，磁矩振荡频率缓慢地从5ghz降低到4ghz，并未发生任何突变。而图1(b)演示了在沿着平行于易轴的方向施加磁场时磁矩振荡频率的变化情况，当在20ns处施加磁场强度为δh的磁场后，磁矩振荡频率产生了突变快速降低到4.4ghz左右，但之后仍然沿着与图1(a)变化相似的运动轨迹降低到4ghz。上述两种方法的结果均导致磁矩振荡频率变化至4ghz所花费的总时间都在30ns左右。
[0004]
因此，研究表明a.purbawati等人提出的方法并未从根本上打破频率调制速率的限制，因为它并没有改变频率调制时磁矩振荡频率变化的轨迹，也没有改变磁矩振荡频率变化所需的总时间。
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因此，需要研究出一种能够打破幅度弛豫速率限制的频率调制方法，使stno能够更加快速地实现频率调制。


技术实现要素：

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为了解决现有技术中stno的最大频率调制速率受到幅度弛豫速率限制的技术问题，本发明提供了一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法，本发明将沿平行于易轴的方向上施加的磁场的磁场强度减小以及同时将通过stno的直流电流的电流值降低，让磁矩振荡频率突变至到所需要的频率，并保持减小后的磁场强度和降低后的电流值不变，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，实现了stno的频率瞬时调制的目的。
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本发明提供了一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法，具体包括：
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基于stno的mtj模型中，在沿平行于易轴方向上施加磁场强度为h1的磁场，以及，通过所述stno的直流电流值为i1；
[0009]
将所述直流电流值降低至i2，同时将沿平行于易轴方向上施加的磁场的磁场强度减小至h2。
[0010]
优选的，所述方法还包括：保持所述直流电流为i2，以及所述磁场强度h2不变。
[0011]
优选的，h
1-h2＞600oe。
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优选的，i
1-i2＞0.27ma。
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本发明中通过将沿平行于易轴的方向上施加的磁场的磁场强度减小以及同时将通过stno的直流电流的电流值降低，让磁矩振荡频率突变至到所需要的频率，并保持减小后的磁场强度和降低后的电流值不变，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，实现了stno的频率瞬时调制的目的。
附图说明
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1、图1为现有技术提供的沿着易磁轴或者垂直于易磁轴方向进行磁场调制的磁矩频率变化图；
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2、图2为本发明实施例提供的一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法流程示意图；
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3、图3为本发明实施例提供的stno的mtj模型；
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4、图4为本发明实施例提供的同时降低直流电流值和磁场强度调制stno频率的磁矩频率变化图。
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最佳实施方式
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为了使本领域技术人员更清楚的理解本发明所提供的一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法，下面将结合附图对其进行详细的说明。
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如图2所示，本发明实施例提供了一种自旋纳米振荡器频率瞬时调制方法，具体包括以下步骤：
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s1：基于stno的mtj模型中，在沿平行于易轴方向上施加磁场强度为h1的磁场，以及，通过所述stno的直流电流值为i1；
[0022]
s2：将所述直流电流值降低至i2，同时将沿平行于易轴方向上施加的磁场的磁场强度减小至h2。
[0023]
需要说明的是，本发明实施例所采用的stno的mtj模型如图3所示，其中，z轴是平行于易轴的方向，x轴为垂直于易轴的方向。
[0024]
具体的，根据tomohiro taniguchi等人2013年在《ieee transactions on magnetics》发表的文章，电流和磁场的关系应该满足如下公式：
[0025][0026]
stno的振荡频率与磁场的关系应该满足如下公式：
[0027][0028]
其中，α为阻尼系数，e为电子电荷，λ为无量纲系数，m为饱和磁化率，s为自由层有效面积，d为自由层厚度，为约化普朗克常数，η为自旋极化率，h
appl
为外加磁场强度，h
k
为
有效场强度，γ为旋磁率，i为电流，f为频率。
[0029]
因此，由上可知，磁矩频率的运动轨迹由角度θ决定，从公式(1)、(2)可以看出，在保证轨迹不变即θ不变的情况下，若改变f，则由公式(2)可以得到对应的h
appl
，再将变化后的h
appl
代入公式(1)则可以得到对应的电流i。也就是说若我们按照公式(1)和(2)所计算出的h
appl
和i代入到目标频率改变的时刻，就可以保持轨迹不变的情况下改变频率，进而实现频率的瞬时调制。
[0030]
因此，本发明实施例首先在沿平行于易轴方向上施加一个磁场强度为h1的磁场，以及通过所述stno的电流值为i1的直流电流。
[0031]
然后在预设的时刻时，同时降低流通所述stno的直流电流值为i2，以及减小施加在平行于易轴的方向上的磁场强度为h2。使得磁矩振荡频率突变至目标频率，实现了stno的频率瞬时调制的目的。
[0032]
优选的，待stno的磁矩振荡频率突变至目标频率时，保持所述直流电流为i2，以及所述磁场强度h2不变。以使stno的磁矩频率变化保持稳定。
[0033]
其中h1根据实际情况可为2.5δh、3δh等，h2可取值为δh。目标振荡频率是预先设定，比如，需要将stno的频率调制到4ghz，则预设频率可设定为4ghz。其中，δh＝400oe。
[0034]
优选的，h
1-h2＞600oe。
[0035]
优选的，i
1-i2＞0.27ma。
[0036]
即，为了使stno的磁矩振荡频率从5ghz到4ghz的突变并且保持稳定至少需要同时减小流通的直流电流值0.27ma和沿着平行于易轴方向的磁场强度600oe。
[0037]
本发明中通过将沿平行于易轴的方向上施加的磁场的磁场强度减小以及同时将通过stno的直流电流的电流值降低，让磁矩振荡频率突变至到所需要的频率，并保持减小后的磁场强度和降低后的电流值不变，让磁矩频率的变化轨迹保持稳定，实现了stno的频率瞬时调制的目的。
[0038]
如图4所示，本发明实施例提供的同时降低直流电流值和磁场强度调制stno频率的磁矩频率变化图，当在20ns处同时降低流通所述stno的直流电流值0.27ma，以及减小施加在平行于易轴的方向上的磁场强度600oe，磁矩振荡频率从5ghz突变至4ghz，然后保持减小后的直流电流值和磁场强度不变，使stno的磁矩频率变化保持稳定，实现了stno的频率瞬时调制的目的。
[0039]
以上对本发明实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。