Rappresentazione schematica di un nano-oscillatore a trasferimento di spin (STNO) con strati magnetici liberi e fissati (a sinistra), e un'immagine al microscopio elettronico a scansione (SEM) di una sezione trasversale di un STNO (a destra), mostra gli elettrodi metallici superiore e inferiore utilizzati per i collegamenti elettrici. La dimensione laterale dello STNO è di circa 100 nm. (Immagine per gentile concessione di UCLA Engineering)
(Phys.org) -- Un team di ricercatori dell'UCLA ha creato gli oscillatori a microonde su scala nanometrica più potenti al mondo, uno sviluppo che potrebbe portare a costi più bassi, dispositivi di comunicazione mobile più efficienti dal punto di vista energetico che offrono una qualità del segnale molto migliore.
I cellulari di oggi, I tablet abilitati WiFi e altri gadget elettronici utilizzano tutti oscillatori a microonde, minuscoli dispositivi che generano i segnali elettrici utilizzati nelle comunicazioni. In un telefono cellulare, Per esempio, i circuiti del trasmettitore e del ricevitore contengono oscillatori che producono segnali a radiofrequenza, che vengono poi convertiti dall'antenna del telefono in onde elettromagnetiche in entrata e in uscita.
Gli oscillatori attuali sono a base di silicio e utilizzano la carica di un elettrone per creare microonde. Gli oscillatori sviluppati dall'UCLA, però, utilizzare lo spin di un elettrone, come nel caso del magnetismo, e portano diversi vantaggi di ordine di grandezza rispetto agli oscillatori comunemente in uso oggi.
Gli oscillatori basati sullo spin degli elettroni dell'UCLA sono nati dalla ricerca presso la Henry Samueli School of Engineering and Applied Science dell'UCLA, sponsorizzata dalla Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA). Questa ricerca si è concentrata su STT-RAM, o memoria ad accesso casuale magnetoresistivo a coppia di trasferimento di spin, che ha un grande potenziale rispetto ad altri tipi di memoria in termini sia di velocità che di efficienza energetica.
"Ci siamo resi conto che le strutture a strati su scala nanometrica che rendono STT-RAM un ottimo candidato per la memoria potrebbero essere sviluppate anche per oscillatori a microonde per le comunicazioni, " ha detto il ricercatore principale e coautore della ricerca Kang L. Wang, Raytheon Professor of Electrical Engineering dell'UCLA Engineering e direttore del Western Institute of Nanoelectronics (WIN).
Le strutture, chiamati nano-oscillatori a trasferimento di spin, o STNO, sono composti da due strati magnetici distinti. Uno strato ha una direzione polare magnetica fissa, mentre la direzione magnetica dell'altro strato può essere manipolata per ruotare facendo passare una corrente elettrica attraverso di essa. Ciò consente alla struttura di produrre microonde oscillanti molto precise.
"In precedenza, non c'era stata alcuna dimostrazione di un oscillatore a trasferimento di spin con una potenza di uscita sufficientemente elevata e contemporaneamente una buona qualità del segnale, quali sono le due metriche principali di un oscillatore, impedendo quindi applicazioni pratiche, " ha detto il co-autore Pedram Khalili, project manager per i programmi di ricerca UCLA-DARPA in STT-RAM e logica non volatile. "Abbiamo realizzato entrambi questi requisiti in un'unica struttura."
L'SNTO è stato testato per mostrare una potenza di uscita record di quasi 1 micro-watt, con una larghezza di banda del segnale stretta record di 25 megahertz. La potenza di uscita si riferisce alla potenza del segnale, e 1 micro-watt è il livello desiderato affinché gli STNO siano pratici per le applicazioni. Anche, una larghezza di linea del segnale stretta corrisponde a un segnale di qualità superiore a una data frequenza. Ciò significa meno rumore e interferenze, per un segnale vocale e video più pulito. Significa anche che più utenti possono essere ospitati su una determinata banda di frequenza.
Inoltre, il nuovo sistema su nanoscala è di circa 10, 000 volte più piccoli degli oscillatori a base di silicio utilizzati oggi. I nano-oscillatori possono essere facilmente incorporati in circuiti integrati esistenti (chip per computer), in quanto sono compatibili con gli attuali standard di progettazione e produzione nelle industrie dei computer e dei dispositivi elettronici. E gli oscillatori possono essere utilizzati sia nelle comunicazioni analogiche (voce) che digitali (dati), il che significa che gli smartphone potrebbero trarne il massimo vantaggio.
"Negli ultimi dieci anni, abbiamo lavorato per realizzare un nuovo paradigma in nanoelettronica e nanoarchitetture, " ha detto Wang, che è anche membro del California NanoSystems Institute presso l'UCLA. "Questo ha portato a enormi progressi nella ricerca sulla memoria. E lungo le stesse linee, crediamo che questi nuovi STNO siano ottimi candidati per succedere agli oscillatori di oggi."
La carta, "Emissione di microonde coerente ad alta potenza da nano-oscillatori a giunzione magnetica a tunnel con anisotropia perpendicolare, " è stato pubblicato online sulla rivista ACS Nano .
Altri autori chiave includono Hongwen Jiang, professore di fisica e astronomia all'UCLA, e l'autore principale Zhongming Zeng, ex studioso post-dottorato nel laboratorio di Jiang e attualmente professore presso l'Istituto di nanotecnologia e nanobionica di Suzhou, Accademia cinese delle scienze.
