Tuning spin torque nano-oscillator nonlinearity using He+ irradiation
我们使用He $^+$照射来调整非线性，$\mathcal{N}$，使用He $^+$通量依赖的垂直磁各向异性（PMA）的[Co/Ni]自由层的全垂直自旋扭矩纳米振荡器（STNO）。采用6 ~ 20 $\times10^{14}$ ~He $^{+}$ /cm $^{2}$的注量，我们能够在面内场中将$\mathcal{N}$从强正调谐到中等负。由于STNO微波信号特性主要由$\mathcal{N}$控制，因此可以通过这种方式直接控制阈值电流、频率的电流可调谐性和STNO线宽。特别是，我们可以大大提高后者超过两个数量级。我们的结果与非线性自动振荡器的理论非常一致，证实了非线性作用的理论预测，并展示了改善STNO微波特性的直接途径。
2018-12-20 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Low offset frequency $1/f$ flicker noise in spin torque vortex oscillators
在自旋力矩纳米振荡器中，靠近载流子的低频噪声仍然很少被研究。然而，这是至关重要的调查，因为它限制了振荡器的频率稳定性。本文研究了基于TMR的自旋力矩涡旋振荡器在大振幅稳态振荡下的低偏频闪烁噪声。我们首先唯象地扩展了非线性自振子理论，旨在揭示这种噪声的性质。然后，我们提出了一个彻底的振荡器的$1/f$闪烁噪声的实验研究，并讨论了理论预测的基础上的结果。据此，我们将振荡器的非线性动力学与闪烁噪声的概念连接起来，并进一步参考基于Hooge公式的标准$1/f$噪声描述的影响，考虑到非恒定的磁振荡体积，这有助于磁阻。
2019-06-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Effect of interlayer exchange coupling in spin-torque nano oscillator
从理论上研究了自旋力矩纳米振荡器（STNO）中自由层和钉扎层的磁化强度之间由于层间交换耦合而产生的非共线排列对自由层磁化强度的影响。通过宏观自旋模型计算了自由层和钉扎层的磁化方向，发现它们与实验结果吻合得很好。双线性和双二次耦合强度使电流在两个磁化状态之间切换或稳定振荡。推导出了两个可能发生振荡的临界电流和两个不可能发生振荡的临界双线性耦合强度的表达式。的振荡的频率被示出为被调谐和增加到或超过300 GHz的电流，这是迄今为止最大的纳米柱形状的STNO之间。
2022-08-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Reservoir computing with the frequency, phase and amplitude of spin-torque nano-oscillators
自旋扭矩纳米振荡器可以模拟纳米尺度的神经元。最近的工作表明，可以利用它们的振荡幅度的非线性来实现对以输入电压的幅度编码的输入信号的波形分类。在这里，我们表明，振荡器的频率和相位也可以用来识别波形。为此，我们将振荡器锁相到输入波形，该输入波形以其调制频率携带信息。通过这种方式，我们大大降低了幅度、相位和频率噪声。我们表明，这种方法允许分类正弦和方波的准确度超过99%时，从振荡器的振幅，相位或频率解码的输出。我们发现，识别率是直接相关的噪声和非线性的每个变量。这些结果证明，自旋力矩纳米振荡器提供了一个有趣的平台，以实现不同的计算方案，利用其丰富的动力学功能。
2018-11-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph physics.comp-ph
Spin-wave assisted synchronization in 2D arrays of spin torque oscillators
本研究通过设计仅含最近邻相互作用的蜂窝模型，利用微磁模拟在二维自旋扭矩振荡器阵列中实现了可调谐的全局同步，并验证了室温下的可行性，为自旋电子学同步研究与应用奠定基础。
2024-08-21 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Emission of coherent propagating magnons by insulator-based spin-orbit torque oscillators
我们通过实验证明了直流电流诱导的自旋轨道扭矩在超薄磁绝缘膜中产生相干传播磁振子。我们表明，这一具有挑战性的任务，可以通过利用磁绝缘体膜具有大的垂直磁各向异性。我们展示了简单而灵活的自旋-轨道力矩器件，它可以用作基于绝缘体的自旋电子应用的相干传播磁振子的高效纳米级源。
2018-07-26 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Reservoir Computing on Spin-Torque Oscillator Array
我们数值研究水库计算的自旋力矩振荡器（STO）阵列，描述的非线性振子模型的STO阵列的磁化动力学。由于磁偶极场的耦合，STO表现出同步振荡。我们表明，水库计算可以使用同步振荡状态。可以通过增加STO的数量来改善性能。在同步态和无序态之间的边界处性能最高。使用STO阵列，我们可以实现更高的性能比回声状态网络具有类似的数量的单元。这一结果表明，STO阵列是有前途的油藏计算的硬件实现。
2019-09-26 cond-mat.dis-nn cond-mat.mes-hall physics.app-ph
A spiking neuron constructed by the skyrmion-based spin torque nano-oscillator
磁skyrmions是类似粒子的拓扑自旋配置，可以携带二进制信息，因此是未来自旋电子器件的有前途的构建模块。在这项工作中，我们调查的skyrmion动力学和注入电流的特性之间的关系，在skyrmion为基础的自旋扭矩纳米振荡器，其中的激发源是从一个点纳米接触在中心的纳米盘。研究发现，在自旋极化电流的驱动下，skyrmion会离开纳米盘中心，而在没有激励的情况下，skyrmion会回到初始位置.因此，我们提出了一种基于skyrmion的人工尖峰神经元，它可以有效地实现泄漏积分发射操作。我们通过微磁模拟研究了基于skyrmion的尖峰神经元的可行性。我们的研究结果可能为构建未来超高密度和超低能耗的磁神经网络提供有用的指导。
2020-03-24 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Temporal pattern recognition with delayed feedback spin-torque nano-oscillators
最近的演示神经形态计算与自旋扭矩纳米振荡器开辟了一条道路，以能源效率的数据处理。这个演示的成功取决于振荡器的内在短期记忆。在这项研究中，我们通过延时反馈来扩展自旋力矩纳米振荡器的记忆。我们利用这种外部记忆来提高解决需要记忆来区分不同输入的模式识别任务的效率。这些非线性振荡器的大的可调谐性允许我们使用所施加的电流和磁场的不同操作条件来控制和优化延迟反馈存储器。
2019-05-07 physics.app-ph
Layer-selective detection of magnetization directions from two layers of antiferromagnetically-coupled magnetizations by ferromagnetic resonance using a spin-torque oscillator
我们使用微磁模拟演示层选择性检测磁化方向的磁点具有两个记录层，通过使用自旋扭矩振荡器（STO）作为读取设备。这种方法是基于铁磁共振（FMR）激励的记录层磁化的微波场从STO。FMR激励影响STO的振荡，STO用于感测记录层中的磁化状态。记录层被设计为具有不同的FMR频率，使得通过调谐STO的振荡频率来选择性地诱导FMR激发。由于所有磁性层通过偶极场相互作用，因此可能发生不必要的层间干扰，这通过设计层的磁性来抑制。我们移动STO的磁点，它模拟了一个读取头在记录介质上移动，并显示在STO振荡的变化发生在一纳秒的时间尺度。
2019-10-01 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Analog and digital phase modulation of spin torque nano-oscillators
自旋力矩纳米振荡器（STNO）是具有宽带频率可调谐性的纳米级器件。它们的多功能RF特性非常适合定义使用基本协议进行数据传输的无线通信新方案，例如幅度、频率和相移键控（ASK、FSK、PSK）。与ASK和FSK相比，PSK的实现对于STNO来说更具挑战性，因为它们的相位噪声相对较高。在这里，我们介绍了一种特殊的PSK技术相结合的调制和注入锁定功能。使用基于磁隧道结的涡旋STNO在2f和f/2处进行注入锁定，示出高达2.1rad的相移和高达4 Mbit/s的数据传输速率，验证了该概念。还实现了正交相移键控和模拟相位调制，其中后者用于10米距离上的语音传输。这表明STNO相位噪声和输出功率满足现有通信方案中操作所需的性能。
2019-05-07 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Stabilization of phase noise in spin torque nano oscillators by a phase locked loop
在各种潜在应用中利用自旋力矩纳米振荡器（STNO）的主要限制是它们的大相位噪声。在这项工作中，我们证明了其有效的减少高度可重构，紧凑，专门设计的片上PLL的基础上定制集成电路。首先，我们深入研究了PLL+STNO系统的参数空间。其次，我们提出了一个理论，它描述了锁定的STNO外部信号在一般意义上。在我们开发的理论中，我们不限制自己的情况下，一个完美的相位锁定，但也考虑相位滑移和相应的低偏移频率$1/f^2$噪声，到目前为止，在这样的系统中的主要缺点。结合实验和理论，使我们能够揭示复杂的参数依赖系统的相位噪声。研究结果为优化噪声特性提供了重要的一步，从而为STNO在实际应用中的开发提供了参考。
2021-10-25 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Agility of vortex-based nanocontact spin torque oscillators
我们研究了基于磁涡旋的电流可调振荡器的灵活性。理论预测，电流调谐频率发生在恒定的轨道半径，所以一个特殊的敏捷性是可以预期的。为了测试这一点，我们在微波干涉仪中插入了一个振荡器，以在时间分辨其发射的同时施加突然的电流变化。使用频移键控，我们表明，振荡器可以在两个稳定的频率之间切换不同的25%，在不到十个周期。这种振荡器具有宽的频率可调谐性和良好的灵活性，对于基于调制的射频应用具有理想的品质因数。
2009-10-10 cond-mat.mes-hall cond-mat.mtrl-sci physics.app-ph
Current-controlled periodic double-polarity reversals in a spin-torque vortex oscillator
本文通过微磁模拟研究了面外直流电流驱动的自旋矩涡旋振荡器，发现周期性双极性反转将涡旋核心回旋限制在两个轨道之间，其频率和轨道边界由电流密度控制，可用于神经形态计算中的泄漏积分-发放神经元。
2023-12-05 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
A spin-torque nano-oscillator based on interlayer-coupled meron-skyrmion pairs with a fixed orbit
本研究提出基于层间耦合梅伦-斯格明子对的固定轨道自旋扭矩纳米振荡器，解决了启动时间长和轨道可变问题，并拓宽了输出频率范围。
2024-02-10 cond-mat.mes-hall physics.app-ph
Microwave magnetic field modulation of spin torque oscillator based on perpendicular magnetic tunnel junctions
研究了基于具有垂直磁化自由层的磁性隧道结（MTJ）的自旋力矩振荡器（STO）信号调制。在MTJ制造过程中产生磁场感应回路，这使得能够在STO操作期间施加微波场。探讨了微波磁场对频率调制的影响，其频率调制频率可达3 GHz，在高数据速率通信技术中具有潜在的应用前景。此外，电感环用于STO信号的自同步，其在场锁定后表现出显着的改善线宽和振荡功率。
2019-09-20 physics.app-ph
Associative memory by virtual oscillator network based on single spin-torque oscillator
针对耦合振荡器网络因制造不均匀性导致联想记忆不可靠的问题，本文提出基于单个自旋矩振荡器的虚拟振荡器网络，结合耦合振荡器与前馈神经网络概念，通过数值模拟验证了60像素图案的联想记忆能力，并揭示其机制为前馈输入驱动的强制同步。
2024-03-29 cond-mat.mes-hall nlin.AO physics.app-ph
Field-free high-frequency exchange-spring spin-torque nano-oscillators
自旋矩纳米振荡器（STNO）是一种利用自旋矩产生磁动力学的纳米级微波自动振荡器，在微波、磁存储和神经形态计算中具有很大的应用前景。在这里，我们报告了交换弹簧STNO的第一个演示，具有交换弹簧（[Co/Pd]-Co）参考层和垂直（[Co/Ni]）自由层。这种磁结构导致在零磁场下的高频（>10 GHz）微波发射和参考层中的交换弹簧动力学以及在不同电流极性下在自由层中观察到磁滴孤子。我们的演示工作在20 GHz频率范围内的双极和无场交换弹簧为基础的STNO大大扩展了设计的自由度和功能，目前的STNO技术的节能高频自旋电子和神经形态应用。
2022-09-15 physics.app-ph
Simultaneous readout of two adjacent bit tracks with a spin-torque oscillator
我们提出了一种新的设置为磁硬盘驱动器技术中的自旋扭矩振荡器阅读器。两个相邻的比特轨道将被同时读取，导致高数据传输速率和增加的对噪声的弹性，因为允许振荡器设备的横向尺寸保持大于比特宽度。我们进行微磁模拟的一个例子系统，并发现磁化响应具有明确的单峰字符，这使得在同一时间检测两个比特值。我们分析了两种不同的外部场的影响下的设备的频率，并进行了成功的动态读出的模拟。我们估计的信号线宽和信噪比的设置，并表明它可能是潜在的有益的磁读出应用。
2017-05-08 physics.app-ph
Magnetodynamics in orthogonal nanocontact spin-torque nano-oscillators based on magnetic tunnel junctions
我们证明了场和电流控制的磁动力学在nanocontact自旋扭矩纳米振荡器（STNOs）的基础上正交磁隧道结（MTJ）。系统地分析了其微波特性（频率$f$、线宽$Δf$、功率$P$和频率可调谐性$df/dI$）及其物理根源--垂直磁各向异性（PMA）、类阻尼和类场自旋转移矩（STT）和压控磁各向异性（VCMA）。这些器件具有几个有利的特性：高发射频率（$f> 20$ GHz）、高频可调谐性（$df/dI=0.25$ ~GHz/mA）和零场工作（$f\sim 4$ GHz）。对$f(H, I)$的详细研究表明，$df/dI$主要受大的VCMA（287 fJ/（V $\cdot$ m））控制，而STT的作用可以忽略不计。
2019-08-02 physics.app-ph
Ultra-fast GHz-range swept-tuned spectrum analyzer with 20 ns temporal resolution based on a spin-torque nano-oscillator with a uniformly magnetized 'free' layer
利用自旋力矩纳米振荡器（STNOs）的超快频率调谐特性，实现了纳秒量级的超快宽带时间分辨谱分析，其频率分辨率仅受“带宽”定理的限制。演示是用STNO在9 GHz频率范围内产生，并由一个垂直的偏振器和一个垂直和均匀磁化的“自由”层。结果表明，这种基于均匀状态STNO的频谱分析仪可以有效地进行频谱分析的频率捷变信号的快速变化的频率成分。
2021-10-06 physics.app-ph
Neuromorphic Computing through Time-Multiplexing with a Spin-Torque Nano-Oscillator
制造拇指大小的强大神经形态芯片需要将它们的基本单元：突触和神经元进行计算机化。神经元面临的挑战是将它们缩小到亚微米直径，同时保持允许可靠的信息处理的特性：高信噪比，耐久性，稳定性，可重复性。在这项工作中，我们证明了紧凑的自旋扭矩纳米振荡器可以自然地实现这样的神经元，并量化它们实现实际认知任务的能力。特别是，我们表明，他们可以自然地实现高性能的储备池计算，并详细说明了这种能力的配方。
2019-04-25 cs.ET physics.app-ph
Associative Memories Using Complex-Valued Hopfield Networks Based on Spin-Torque Oscillator Arrays
National Institute of Standards and Technology（美国国家标准与技术研究院）
基于自旋力矩振荡器的复值Hopfield网络的仿真可以恢复相位编码图像。忆阻器增强的反相器的序列提供可调谐延迟元件，其通过对振荡器的振荡输出进行相移来实现复权重。伪逆训练足以在一组192个振荡器中存储至少12个图像，表示16个$\times$ 12像素图像。恢复图像所需的能量取决于所需的误差水平。对于这里考虑的振荡器和电路，与理想图像的5%均方根偏差需要大约5 $μ$ s，消耗大约130 nJ。仿真表明，当振荡器的谐振频率可以被调谐为具有小于$10^{-3}$的分数扩展时，网络运行良好，这取决于反馈的强度。
2022-06-10 cond-mat.dis-nn cond-mat.mtrl-sci cs.ET
Activation of Microwave Fields in a Spin-Torque Nano-Oscillator by Neuronal Action Potentials
动作电位是神经系统中信息的基本单位，它们的可靠检测和解码是理解大脑如何产生复杂思想和行为的关键。将这些信号转换为微波场振荡可以使无线传感器通过磁感应报告大脑活动。在目前的工作中，我们证明了来自小龙虾外侧巨神经元的动作电位可以触发自旋扭矩纳米振荡器中的微波振荡。这些纳米级设备将小电流作为输入，并将其转换为微波电流振荡，可以无线广播神经元活动，为紧凑的神经传感器开辟了可能性。我们表明，动作电位激活微波振荡的自旋扭矩纳米振荡器的振幅，以下的动作电位信号，表明该设备具有灵敏度和时间分辨率，以响应来自单个神经元的动作电位。通过动作电位激活磁振荡，加上小的足迹和高频可调谐性，使得这些设备有希望的候选人从神经组织的生物电信号的高分辨率传感。这些设备属性可能对高吞吐量双向脑机接口的设计有用。
2017-10-16 physics.app-ph
Spin torque oscillator for microwave assisted magnetization reversal
对由面内磁化自由层和垂直磁化钉扎层组成的自旋力矩振荡器在垂直磁场作用下的自激振荡进行了理论研究。这种类型的STO是微波辅助磁化反转（MAMR）的微波源的潜在候选者。然而，当垂直场大于一个临界值时，适用于MAMR的自振荡消失，该临界值远小于退磁场。该结果提供了纳米柱结构中MAMR的磁纪录比特的反转场应小于临界值的条件。给出了确定临界场的电流解析公式，指出虽然从降低功耗的角度考虑，阻尼小的材料是可取的，但对于实现适用于MAMR的大范围自激振荡，阻尼小的材料是不可取的。
2018-04-22 cond-mat.mes-hall cond-mat.other nlin.AO
Reinforcement learning for spin torque oscillator tasks
Institute of Electronics, AGH University of Kraków（电子研究所，克拉科夫AGH大学）
本研究通过强化学习解决自旋电子振荡器的自动同步问题，利用数值模拟训练RL代理在固定步数内与目标频率同步，并改进了基础任务以提升收敛性和能效。
2025-09-12 cs.AI cs.LG physics.app-ph
Synthetic ferrimagnet spin transfer torque oscillator: model and non-linear properties
计算了基于人工合成亚铁磁自由层（两层耦合）的自旋力矩振荡器的非线性参数。的解析表达式相比，宏观自旋模拟的情况下，由外部固定层的自旋极化的电流激发的合成亚铁磁体。结果表明，两个线性模式，声学和光学，只有一个被激发的时间，因此，自持振荡是一个单一的层的动力学类似。然而，非线性参数值可以通过合成亚铁磁体的参数来控制。通过两层之间的强耦合和非对称层（不同厚度），证明了可以减小非线性频移，这导致功率谱密度的线宽减小。对于一个特定的应用领域，非线性参数甚至可以消失，这对应于一个红移和蓝移频率之间的过渡依赖于电流和线宽减少到线性线宽值。
2017-05-03 cond-mat.other physics.app-ph
Towards mutual synchronization of serially connected Spin Torque Oscillators based on magnetic tunnel junctions
本文实验研究垂直磁化磁性隧道结自旋扭矩振荡器的注入锁定与双结串联同步机制，并结合耦合模型仿真确定同步容差及性能改进路径。
2025-02-14 cs.NE physics.app-ph
Chaos and relaxation oscillations in spin-torque windmill neurons
自旋电子神经元发出尖锐的电压尖峰，需要实现硬件神经网络，使低功耗的快速数据处理。在许多神经科学和计算机科学模型中，神经元被抽象为非线性振荡器。磁性纳米振荡器被称为自旋扭矩纳米振荡器，是在纳米尺度上模仿神经元的有趣候选者。然而，这些振荡器发出正弦波形而没有尖峰，而生物神经元是发出尖锐电压尖峰的弛豫振荡器。在这里，我们提出了一种简单的方法来模仿神经元尖峰在高磁阻纳米级自旋阀，两个磁性层是免费的，薄到足以通过自旋扭矩切换。我们的数值模拟结果表明，风车运动所引起的自旋力矩在建议的自旋电子神经元引起尖峰的形状和频率，设置的充电和放电时间，可以通过注入直流电流的幅度进行调谐。我们还发现，这些设备可以表现出混沌振荡。混沌样神经元动力学已在大脑中观察到，它是可取的，在一些神经形态计算应用程序，而它应该避免在其他。我们证明了混沌的程度可以在很宽的范围内调整工程的磁堆和各向异性，并通过改变直流电流。所提出的自旋电子神经元是利用非线性动力学计算的硬件神经形态芯片的一个有前途的构建块。
2018-10-04 cond-mat.dis-nn physics.app-ph
Experimental demonstration of a rapid sweep-tuned spectrum analyzer with temporal resolution based on a spin-torque nano-oscillator
本研究实验验证了基于自旋扭矩纳米振荡器的快速扫频频谱分析仪，利用其纳秒级小时间常数实现微秒级时间分辨的多音微波信号频谱分析，该方案可推广至各类低时间常数微纳扫频振荡器。
2020-04-07 eess.SP physics.app-ph
