1561-5405 10.24151/1561-5405 Proceedings of Universities. Electronics Scientifical and technical journal "Proceedings of Universities. Electronics" Научно-технический журнал «Известия высших учебных заведений. Электроника» 1561-5405 2587-9960 National Research University of Electronic Technology Национальный исследовательский университет "Московский институт электронной техники" 10.24151/1561-5405-2017-22-2-109-119537.621:537.624Фундаментальные исследованияField Features of Spin-Torque Diode Microwave Sensitivity Presence of Bias CurrentПолевые особенности микроволновой чувствительности спинового диода при наличии тока смещенияПопков Анатолий Федорович ПопковАнатолий Федорович FedorovichPopkov AnatoliyPopkov Anatoliy FedorovichКулагин Николай Евгеньевич КулагинНиколай Евгеньевич EvgenevichKulagin NikolayKulagin Nikolay EvgenevichДемин Глеб Дмитриевич ДеминГлеб Дмитриевич DmitrievichDemin GlebDemin Gleb DmitrievichЗвездин Константин Анатольевич ЗвездинКонстантин Анатольевич AnatolevichZvezdin KonstantinZvezdin Konstantin AnatolevichНациональный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, РоссияМосковский авиационный институт (национальный исследовательский университет), г. Москва, РоссияНациональный исследовательский университет «МИЭТ», г. Москва, Россия; Московский физико-технический институт (государственный университет), г. Долгопрудный, РоссияИнститут общей физики им. А.М. Прохорова Российской академии наук, г. Москва, Россия109119http://ivuz-e.ru/issues/2-_2017/polevye_osobennosti_mikrovolnovoy_chuvstvitelnosti_spinovogo_dioda_pri_nalichii_toka_smeshcheniya/http://ivuz-e.ru/download/2_2017_1367.pdf

The use of the spin-diode effect in magnetic tunnel junctions under the current-induced transfer of spin angular momentum opens the prospect of the significant increase in the microwave sensitivity compared to Schottky semiconductor diodes in the GHz frequency range. Theoretical analysis of diode rectification effect of the microwave signal in the magnetic tunnel junction (spin-diode effect) has been performed under resonant excitation of spin waves in the free magnetic layer as a result of the current-induced spin-transfer torque effect. Within the linear macrospin approximation the frequency characteristics of resonant response of the spin-torque diode on the microwave signal have been calculated depending on the direction and amplitude of the applied magnetic field and bias current. It has been shown that in absence of bias current the maximum value of the rectified DC bias voltage across the junction is achieved in the case of mutually perpendicular magnetization geometry in its magnetic layers and drops with increasing the resonant frequency of oscillations in the magnetic field while maintaining the equilibrium spin orientation in the layers. When applying the bias current the resonance amplitude of forced spin oscillations dramatically increases under the microwave excitation when approaching the critical point of spin state stability of the spin-torque diode, in which the linewidth is only limited by the nonlinear effects. The increase in the spin-torque diode sensitivity is very important for its application in the systems of microwave holographic vision.

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.

магнитный туннельный переходпереносимый вращательный моментспиновый диодмакроспиновая модельферромагнитный резонансмикроволновая чувствительность Spin-torque diode effect in magnetic tunnel junctions / A.A. Tulapurkar, Y. Suzuki, A. Fukushima et al. // Nature. – 2005. – Vol. 438. – P. 339-342.Highly sensitive nanoscale spin-torque diode / S. Miwa, S. Ishibashi, H. Tomita et al. // Nature Materials. – 2014. – Vol. 13. – P. 50–56.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.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.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.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.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.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.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.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.