Représentation schématique d'un nano-oscillateur à transfert de spin (STNO) avec des couches magnétiques libres et épinglées (à gauche), et une image de microscopie électronique à balayage (MEB) d'une coupe transversale d'un STNO (à droite), montrant les électrodes métalliques supérieures et inférieures utilisées pour les connexions électriques. La taille latérale du STNO est d'environ 100 nm. (Image avec l'aimable autorisation de UCLA Engineering)
(Phys.org) -- Une équipe de chercheurs de l'UCLA a créé les oscillateurs micro-ondes nanométriques les plus puissants au monde, un développement qui pourrait conduire à moins cher, des appareils de communication mobile plus économes en énergie qui offrent une bien meilleure qualité de signal.
Les téléphones portables d'aujourd'hui, Les tablettes et autres gadgets électroniques compatibles WiFi utilisent tous des oscillateurs à micro-ondes, de minuscules appareils qui génèrent les signaux électriques utilisés dans les communications. Dans un téléphone portable, par exemple, les circuits émetteur et récepteur contiennent des oscillateurs qui produisent des signaux radiofréquences, qui sont ensuite convertis par l'antenne du téléphone en ondes électromagnétiques entrantes et sortantes.
Les oscillateurs actuels sont à base de silicium et utilisent la charge d'un électron pour créer des micro-ondes. Les oscillateurs développés par l'UCLA, cependant, utiliser le spin d'un électron, comme dans le cas du magnétisme, et présentent plusieurs avantages de plusieurs ordres de grandeur par rapport aux oscillateurs couramment utilisés aujourd'hui.
Les oscillateurs basés sur le spin des électrons de l'UCLA sont nés de la recherche menée à l'École d'ingénierie et de sciences appliquées Henry Samueli de l'UCLA parrainée par la Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Cette recherche a porté sur STT-RAM, ou mémoire vive magnétorésistive à couple de transfert de spin, qui a un grand potentiel par rapport aux autres types de mémoire en termes de vitesse et d'efficacité énergétique.
"Nous avons réalisé que les structures nanométriques en couches qui font de la STT-RAM un si bon candidat pour la mémoire pourraient également être développées pour les oscillateurs micro-ondes pour les communications, " a déclaré le chercheur principal et co-auteur de la recherche Kang L. Wang, Professeur de génie électrique Raytheon de l'UCLA Engineering et directeur du Western Institute of Nanoelectronics (WIN).
Les structures, appelés nano-oscillateurs à transfert de spin, ou STNOs, sont composés de deux couches magnétiques distinctes. Une couche a une direction polaire magnétique fixe, tandis que la direction magnétique de l'autre couche peut être manipulée pour tourner en faisant passer un courant électrique à travers elle. Cela permet à la structure de produire des micro-ondes oscillantes très précises.
"Précédemment, il n'y avait pas eu de démonstration d'oscillateur à transfert de spin avec une puissance de sortie suffisamment élevée et simultanément une bonne qualité de signal, qui sont les deux principales métriques d'un oscillateur - empêchant ainsi les applications pratiques, " a déclaré le co-auteur Pedram Khalili, chef de projet pour les programmes de recherche UCLA-DARPA en STT-RAM et logique non volatile. "Nous avons réalisé ces deux exigences dans une seule structure."
Le SNTO a été testé pour montrer une puissance de sortie record de près de 1 micro-watt, avec une largeur de ligne de signal étroite record de 25 mégahertz. La puissance de sortie fait référence à la force du signal, et 1 microwatt est le niveau souhaité pour que les STNO soient pratiques pour les applications. Aussi, une largeur de raie de signal étroite correspond à un signal de meilleure qualité à une fréquence donnée. Cela signifie moins de bruit et d'interférences, pour un signal audio et vidéo plus propre. Cela signifie également que davantage d'utilisateurs peuvent être hébergés sur une bande de fréquences donnée.
En outre, le nouveau système nanométrique est d'environ 10, 000 fois plus petit que les oscillateurs à base de silicium utilisés aujourd'hui. Les nano-oscillateurs s'intègrent facilement dans des circuits intégrés existants (puces informatiques), car ils sont compatibles avec les normes de conception et de fabrication en vigueur dans les secteurs de l'informatique et des appareils électroniques. Et les oscillateurs peuvent être utilisés dans les communications analogiques (voix) et numériques (données), ce qui signifie que les téléphones intelligents pourraient en tirer pleinement parti.
« Au cours de la dernière décennie, nous avons travaillé pour réaliser un nouveau paradigme en nanoélectronique et nanoarchitectures, " dit Wang, qui est également membre du California NanoSystems Institute de l'UCLA. "Cela a conduit à d'énormes progrès dans la recherche sur la mémoire. Et dans le même sens, nous pensons que ces nouveaux STNO sont d'excellents candidats pour succéder aux oscillateurs d'aujourd'hui."
Le papier, "Émission de micro-ondes cohérente de haute puissance à partir de nano-oscillateurs à jonction tunnel magnétique avec anisotropie perpendiculaire, " a été publié en ligne dans la revue ACS Nano .
Parmi les autres auteurs clés, citons Hongwen Jiang, professeur de physique et d'astronomie à l'UCLA, et auteur principal Zhongming Zeng, ancien chercheur postdoctoral dans le laboratoire de Jiang et actuellement professeur à l'Institut de nanotechnologie et de nanobionique de Suzhou, Académie chinoise des sciences.
