Использование спин-диодного эффекта, возникающего в магнитных туннельных переходах под действием токовой передачи вращательного момента, открывает перспективу значительного повышения микроволновой чувствительности по сравнению с полупроводниковыми диодами Шоттки в гигагерцовом диапазоне частот. Проведен теоретический анализ спин-диодного эффекта выпрямления микроволнового сигнала на магнитном туннельном переходе при резонансном возбуждении спиновых колебаний в незакрепленном магнитном слое в результате токовой передачи вращательного момента. В линейном макроспиновом приближении рассчитаны частотные характеристики резонансного отклика спинового диода на микроволновый сигнал в зависимости от направления и величины приложенного магнитного поля и тока смещения. Показано, что в отсутствие тока смещения максимальное выпрямленное напряжение на переходе достигается при взаимно перпендикулярной геометрии намагничивания его берегов и падает с ростом резонансной частоты колебаний в магнитном поле при сохранении равновесной ориентации спинов в слоях. При включении тока смещения резонансная амплитуда вынужденных колебаний спинов свободного слоя при микроволновом возбуждении резко возрастает вблизи критической точки потери устойчивости равновесного состояния спинового диода. В этой точке ширина линии ограничивается только нелинейными эффектами. Повышение чувствительности спинового диода актуально для его применения в системах микроволнового голографического видения.
Демин Глеб Дмитриевич
Национальный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; Московский физико-технический институт (государственный университет), г. Долгопрудный, Россия
1. Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions / A.A. Tulapurkar, Y. Suzuki, A. Fukushima et al. // Nature. – 2005. – Vol. 438. – P. 339-342.
2. Highly sensitive nanoscale spin-torque diode / S. Miwa, S. Ishibashi, H. Tomita et al. // Nature Materials. – 2014. – Vol. 13. – P. 50–56.
3. Spin-torque diode-based radio-frequency detector by utilizing tilted fixed-layer magnetization and in-plane free-layer magnetization / T. Zeng, Y. Zhou, K.W. Lin et al. // IEEE Trans. Magn. – 2015. – Vol. 51. – N. 11. – P. 1401204.
4. Microwave holography using a magnetic tunnel junction based spintronic microwave sensor / L. Fu, Y. S. Gui, L. H. Bai et al. // J. Appl. Phys. – 2015. – Vol. 117. – P. 213902.
5. Sensitivity of spin-torque diodes for frequency-tunable resonant microwave detection / C. Wang, Y.T. Cui, J.Z. Sun et al. // J. Appl. Phys. – 2009. – Vol. 106. – P. 053905.
6. Voltage-induced ferromagnetic resonance in magnetic tunnel junctions / J. Zhu, J. A. Katine, G.E. Rowlands et al. // Phys. Rev. Lett. – 2012. – Vol. 108. – P. 197203.
7. Towards low-power high-efficiency rf and microwave energy harvesting / S. Hemour, Y. Zhao, C.H. P. Lorenz et al. // IEEE Trans. Microw. Theory Tech. – 2012. – Vol. 62. – N. 4. – P. 965–976.
8. Popkov A.F., Kulagin N.E., Demin G.D. Nonlinear spin-torque microwave resonance near the loss of spin state stability // Solid State Communications. – 2016. – Vol. 248. – P. 140–143.
9. Seebeck rectification enabled by intrinsic thermoelectrical coupling in magnetic tunneling junctions / Z.H. Zhang, Y.S. Gui, L. Fu et al. // Phys. Rev. Lett. – 2012. – Vol. 109. – P. 037206.
10. High sensitivity microwave detection using a magnetic tunnel junction in the absence of an external applied magnetic field / Y. S. Gui, Y. Xiao, L. H. Bai et al. // Appl. Phys. Lett. – 2015. – Vol. 106. – P. 152403.