Спинтронный детектор микроволновых колебаний
SPINTRON DETECTOR OF MICROWAVE OSCILLATIONS

Изобретение относится к прикладной физике и может быть использовано в измерительной технике для детектирования колебаний в диапазоне частот 3-100 ГГц.
CN 111613722A
Известно нано-электронное устройство, объединяющее магнитную оперативную память, микроволновый генератор и детектор (, UNIV NANJING; ZHEJIANG HIKSTOR TECH CO LTD, 01.09.2020). Базовым узлом спинового электронного устройства является магнитный туннельный переход с эффектом высокого магнитосопротивления, а нано-спиновое электронное устройство представляет собой цилиндрический или эллиптический блок многослойной структуры, содержащий последовательно расположенные верхний электродный слой магнитного туннельного перехода, ферромагнитный слой без намагничивания, немагнитный барьерный слой, ферромагнитный поляризационный слой, антиферромагнитный слой и нижний электродный слой. В ферромагнитном поляризационном слое поглощается высокочастотный микроволновый сигнал, и возникает явление ферромагнитного резонанса. Спин-передаточный момент, создаваемый приложенным постоянным током, усиливает ферромагнитный резонанс. С электродных слоев детектируется выпрямленный микроволновый сигнал. Перестройка частоты детектора осуществляется с помощью внешнего магнитного поля и варьируется в диапазоне от 0,1 до 50 ГГц.
CN 101685901A
Описан спиновый микроволновый генератор и спиновой микроволновый детектор (, SHANGHAI CHINESE ACAD PHYSICS INST, 31.03.2010), включающий многослойную структуру, состоящую из подложки, нижнего буферного проводящего слоя на ней, магнитотвердого слоя, промежуточного слоя, магнитомягкого слоя, промежуточного слоя и проводящего слоя, последовательно нанесенных на нижний буферный проводящий слой. Входной микроволновый сигнал подается на магнитную многослойную структуру. Через структуру пропускается радиочастотный ток, перпендикулярный поверхности структуры. При совпадении частот тока и частоты прецессии магнитного момента свободного магнитного слоя возникает резонанс. С буферных проводящих слоев детектируется постоянное напряжение входного микроволнового сигнала. Перестройку частоты детектора можно осуществлять с помощью внешнего магнитного поля. Недостатком описанных детекторов является невозможность контроля поляризации внешнего излучения.
CN 106990284A
Наиболее близким к патентуемому устройству является детектор микроволновой мощности, основанный на эффекте спиновой накачки (, UNIV ELECTRONIC SCI & TECH CHINA, 28.07.2017 - прототип), включающий в себя гетероструктуру, состоящую из магнитного тонкопленочного слоя и немагнитного тонкопленочного слоя тяжелого металла, выращенных на слое тонкой магнитной пленки. При падении микроволнового излучения на структуру в магнитном тонкопленочном слое возникает прецессия, которая действует на магнитные подрешетки магнитного материала. Данная прецессия приводит к спиновой накачке на границе слоя магнитный материал - немагнитный материал. Благодаря механизму спиновой накачки, в тонкопленочном слое немагнитного материала возникает спиновый ток. За счет обратного спинового эффекта Холла возникновение спинового тока в тонкопленочном слое немагнитного материала приводит к возникновению постоянного напряжения на выходных электродах. С помощью постоянного магнитного поля можно перестраивать рабочую частоту детектора в широких пределах. Недостатком устройства является невозможность контроля поляризации входного микроволнового сигнала.
Настоящее изобретение направлено на решение проблемы создания детектора микроволнового излучения, рабочую частоту которого можно перестраивать посредством управления постоянным магнитным полем, и способ контроля поляризации внешнего микроволнового излучения для возможности возбуждения верхней моды магнитного материала.
Детектор микроволновых колебаний содержит гетероструктуру на основе последовательно расположенных перекрестных полосковых волноводов, слоя антиферромагнитного материала, слоя немагнитного металла и приемных электродов. В структуру введены источник постоянного магнитного поля и два источника линейно поляризованного микроволнового излучения.
Гетероструктура выращена на прозрачной для микроволнового излучения подложке. Слой антиферромагнитного материала представляет собой антиферромагнетик со слабым ферромагнетизмом. Вектор намагниченности источника постоянного магнитного поля направлен параллельно легкой оси слоя антиферромагнитного материала.
2
3
3
Антиферромагнитный материал может быть выполнен из α-FeO или FeBO, а немагнитный металл представляет собой Pt, Ta или W.
Технический результат - возможность перестройки рабочей частоты детектора при повышении чувствительности к детектируемому микроволновому сигналу, возможность управления поляризацией внешнего излучения с целью возбуждения верхней моды магнитного материала.
Существо изобретения представлено на чертежах, где:
Фиг. 1 - структура детектора.
Фиг. 2 - зависимость резонансных частот от напряженности постоянного магнитного поля.
Фиг. 3 - зависимость выходного постоянного напряжения от частоты входного воздействия для трех значений напряженности магнитного поля.
Фиг. 4 - зависимость выходного постоянного напряжения от входной мощности микроволнового сигнала.
Фиг. 5 - зависимость выходного постоянного напряжения от напряженности постоянного магнитного поля при резонансе.
На фиг. 1 представлена структура устройства детектирования микроволновых колебаний, которое содержит многослойную гетероструктуру, содержащую размещенные на подложке 1 последовательно расположенные полосковые волноводы 2 (земля), 3 (сигнальная шина), слой антиферромагнитного материала 4 и слой немагнитного металла 5. Токопровод 6 соединяет слой 5 с регистратором 7 (вольтметром).
Патентуемое устройство может быть реализовано на основе известных материалов и технологий нано- и микроэлектроники.
2
3
3
Слой антиферромагнетика 4 может быть выполнен из антиферромагнетика со слабым ферромагнетизмом, например, δ-FeO или FeBO. Толщина слоя варьируется от 1 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны микроволновой частоты порядка 1 мм.
Величина параметров G, H и L подбирается так, чтобы возбуждалась верхняя мода выбранного антиферромагнитного материала. Примерные размеры: ширина G сигнальной шины составляет 10 мкм, высота H полоскового волновода составляет 50 нм, длина L полоскового волновода составляет 120 мкм.
2
2
3
3
3
Подложка 1 может быть выполнена из немагнитного диэлектрика, например: SiO, MgO, AlO, SrTiO, LiNbO или других материалов, используемых в технологии микроэлектроники. Латеральные размеры неограниченны, но площадь подложки 1 должна быть больше размеров слоя антиферромагнетика 4 и слоя немагнитного металла 5.
Слой немагнитного металла 5 может быть выполнен из Pt, Ta или W, и может иметь толщину от 5 нм до 50 нм. Латеральные размеры ограничены характерной длиной волны микроволновой частоты порядка 1 мм. Токопровод 6 может быть выполнен из металла высокой проводимости, например, меди или платины.
Принцип функционирования детектора состоит в следующем.
Гетероструктура ориентирована параллельно как постоянному магнитному полю 8, так и направлению распространения регистрируемых линейно поляризованных микроволновых сигналов 9, 10. Переменное электромагнитное поле линейно поляризованных микроволновых сигналов 9 и 10 индуцирует крутящий момент, который действует на магнитные подрешетки антиферромагнитного материала и вызывает колебания вектора Нееля вблизи легкой оси анизотропии. Благодаря механизму спиновой накачки в антиферромагнитном слое 4 возникает спиновый ток. Данный ток конвертируется в электрический ток в слое немагнитного металла 5. Посредством обратного спинового эффекта Холла на концах немагнитного металла возникает электрическое поле, что приводит к возникновению постоянного электрического напряжения, которое можно детектировать с помощью вольтметра 7.
2
3
Для расчетов выходных параметров детектора использовала гетероструктура α-FeO (50 нм)/Pt (3 нм). Перестройка частот антиферромагнитного резонанса осуществляется постоянным магнитным полем 8. Изменение напряженности постоянного магнитного поля 8 приводит к изменению резонансных частот антиферромагнитного резонанса. Зависимость резонансных частот антиферромагнитного резонанса от напряженности постоянного магнитного поля представлена на фиг. 2. При малых значениях напряженности постоянного магнитного поля резонансные частоты нижней и верхней мод антиферромагнитного материала имеют существенное различие. По мере увеличения напряженности постоянного магнитного поля величины резонансных частот становятся близки друг к другу, что создает трудности для отличия нижней и верхней мод антиферромагнитного материала. Чтобы нижнюю и верхнюю моды антиферромагнитного материала можно было с легкостью отличить друг от друга, следует производить детектирование при напряженности постоянного магнитного поля не более 2 Т.
Увеличение частот линейно поляризованных микроволновых сигналов 9 и 10 с равной амплитудой и разностью фаз 90 градусов приводит к резонансной зависимости выходного постоянного напряжения, как видно на фиг. 3. Резонансная зависимость имеет две резонансных пика, соответствующих  резонансным частотам антиферромагнитного материала 4, причем величина выходного постоянного напряжения при резонансе увеличивается при увеличении напряженности постоянного магнитного поля 8. Кроме того, величина выходного выпрямленного напряжения увеличивается при увеличении мощности микроволновых сигналов 9 и 10, причем для верхней моды величина выходного выпрямленного напряжения больше, чем для нижней моды, при равной входной мощности, как видно на фиг. 4.
Увеличение напряженности постоянного магнитного поля 8 ведет к росту выходного выпрямленного напряжения при резонансе, причем величина выходного выпрямленного напряжения для верхней моды выше, чем для нижней моды, и имеет два резонансных пика, как показано на фиг. 5.
Изменяя разность фаз микроволновых линейно поляризованных сигналов 9 и 10, можно контролировать поляризацию излучения. В центре перекрестных полосковых волноводов можно создать излучение с линейной, круговой или эллиптической поляризацией. При равенстве фаз или разности фаз в 180 градусов в центре перекрестных полосковых волноводов будет формироваться линейно поляризованный сигнал, при разности фаз от 0 до 90 градусов микроволновых сигналов 9 и 10 в центре будет формироваться эллиптическая поляризация излучения, если разность фаз микроволновых сигналов 9 и 10 варьируется в диапазоне от 0 до 90 градусов и амплитуды сигналов равны, то в центре перекрестных полосковых волноводов будет формироваться круговая поляризация излучения. При линейной поляризации излучения возможно детектирование нижней моды антиферромагнитного материала, при круговой или эллиптической поляризации излучения возможно детектирование как нижней, так и верхней моды антиферромагнитного материала.
Таким образом, из приведенных данных следует, что параметры детектора микроволновых колебаний могут регулироваться посредством постоянного магнитного поля 8, и, тем самым, расширяются функциональные возможности детектора. Кроме того, использование перекрестных полосковых волноводов позволяет контролировать поляризацию внешнего микроволнового излучения и возбуждать верхнюю моду выбранного антиферромагнитного материала.