Door gebruik te maken van innovatieve magnetische materialen, een internationaal samenwerkingsverband van onderzoekers heeft een doorbraak bereikt in de ontwikkeling van microgolfdetectoren - apparaten die zwakke microgolfsignalen kunnen detecteren die worden gebruikt voor mobiele communicatie, radar, en andere toepassingen. De detectoren van het team zijn compact en bieden een recordhoge gevoeligheid. Ze staan ​​bekend als spin-torque microgolfdetectoren (STMD's), omdat ze de spin van elektronen gebruiken om microgolfsignalen te detecteren, in tegenstelling tot bestaande detectoren, die de elektronenlading gebruiken. De verbeterde detector van het SINANO-team heeft een groot potentieel om te worden gebruikt in toekomstige telecommunicatie, sensornetwerken, en internet der dingen.

De kerncomponent van de STMD bestaat uit twee verschillende magnetische lagen. Eén laag heeft een referentierichting, wat betekent dat de magnetische noord- en zuidpolen in de ruimte zijn gefixeerd. De magnetische richting van de andere laag kan veranderen als reactie op een microgolfstroom die er doorheen stroomt. Hierdoor kan de structuur een spanning produceren als reactie op een extern microgolfsignaal. Het belangrijkste voordeel van de STMD ten opzichte van bestaande technologieën is de combinatie van een grote detectiegevoeligheid bij een laag ingangsvermogen om zelfs zeer zwakke signalen te detecteren. Het combineert ook energie-efficiëntie met afmetingen op nanoschaal.

Daten, echter, de detectiegevoeligheid van STMD's was voornamelijk afhankelijk van de toepassing van externe magnetische velden, die de implementatie ervan voor praktische toepassingen belemmert, waardoor het gebruik van een omvangrijke permanente magneet nodig is.

Door magnetische lagen te gebruiken met loodrechte magnetische anisotropie - vergelijkbaar met die gebruikt in spin-transfer torque magnetisch geheugen (STT-MRAM) - toonde het SINANO-team een ​​recordhoge detectiegevoeligheid aan bij kamertemperatuur zonder externe biasvelden, en voor een laag ingangsvermogen (micro-Watt of lager). De gevoeligheid is 20 keer hoger dan de state-of-the-art Schottky diode detectoren. Dit elimineert de noodzaak om grote aantallen elektronen door draden te verplaatsen, en elimineert ook de noodzaak voor permanente magneten of geleidende spoelen om het magnetische veld in te stellen, dus een aanzienlijke besparing van zowel energie als ruimte. STMD-apparaten kunnen worden verkleind tot nanometergrootte (0,07 μm ² in de studie), waardoor ze mogelijk geschikt zijn voor compacte microgolfdetectoren op de chip.

"Eerder, er was geen sprake van een STMD met voldoende hoge detectiegevoeligheid bij een laag ingangsvermogen, en tegelijkertijd zonder de noodzaak van een extern magnetisch veld, waardoor praktische toepassingen worden voorkomen, " zei de hoofdonderzoeker Z. M. Zeng, SINANO-professor bij de SINANO Nanofabrication Facility. "We hebben al deze eisen in één apparaat gerealiseerd."

"Hoge gevoeligheid voor een ultralaag microgolfsignaal in een magnetisch veld nul is opwindend voor draadloze toepassingen. Dit werk presenteert een nieuwe route voor de ontwikkeling van de volgende generatie on-chip microgolfdetectoren." zei co-auteur G. Finocchio, die assistent-professor is aan de Universiteit van Messina, Italië.

"Opkomende spintronische apparaten hebben het potentieel om de elektronica-industrie te transformeren, waardoor dramatische verbeteringen in energie-efficiëntie en prestaties mogelijk zijn. Een direct voorbeeld is het snelgroeiende gebied van niet-vluchtig magnetisch geheugen (MRAM). Dit werk toont aan dat spintronische apparaten ook praktische waarde kunnen bieden in een andere klasse van toepassingen, namelijk microgolfdetectoren op nanoschaal, " zei Pedram Khalili, een adjunct-assistent-professor aan de UCLA en co-auteur van het papier. "Deze apparaten kunnen worden geïntegreerd in CMOS back-end productieprocessen, mogelijk hun integratie in systemen op een chip mogelijk te maken."

De krant, "Giant spin-torque diode gevoeligheid in de afwezigheid van bias magnetisch veld" is online gepubliceerd in het tijdschrift Natuurcommunicatie .