Nytt spinn på gammal dröm

Man kan likna det hela vid en gitarrsträng. För att få en ton, alltså en viss frekvens, börjar man med att spänna strängen, genom att variera det yttre magnetfält man lägger på komponenten. Ju starkare magnetfält, desto spändare blir strängen och desto högre frekvens genererar den. Men till skillnad från en gitarrsträng så förändras spin torque-frekvensen beroende på hur hårt man slår an strängen. Och slår på den, gör man genom att förändra strömmen man sänder igenom komponenten.

Spinnvågsoscillatorn skulle kunna bli en mindre revolution för tillverkningen av små radiosändare där man kräver stor bandbredd. En spinnvågsoscillator på 40 gigahertz som kan frekvensmoduleras med en gigahertz är lätt att åstadkomma.

– Det blir en mycket liten enhet, i storleken en mikrometer och den kan stämmas av inom minst en oktav, till exempel 30–60 gigahertz, i ett svep genom att man bara lägger på en bestämd ström i milliampereområdet, säger Johan Åkerman.

Principen för ett magnetiskt tunnlingselement (mtj, magnetic tunnel junction) i ett mram. Den grön-vit-blå stapeln är mtj-enheten och de vita pilarna visar hur magnetfälten ligger. Fältet kan reverseras i det övre, gröna, fria lagret, medan det ligger fast i det blå lagret.
Mtj-stapeln utgör den lagrade databiten och den skrivs genom att man lägger på lämplig ström genom bit- och ordledarna. Magnetfälten korsas i mtj-stapeln och blir där tillräckligt kraftigt för att ställa om fältet i det fria lagret, medan staplarna runt omkring för blir orörda.
Man får bättre styrning på magnetfältet genom att omge bit- och ordledningarna med ett lager permalloy eller motsvarande metall som koncentrerar fältet. Utläsningstransistorn används för att läsa ut en enskild bit, genom att jorda en enskild mtj i ena änden. Lägger man på en spänning på bitledningen och mäter strömmen som tunnlar (en kvantfysisk effekt) genom tunnlingslagret kommer man att få hög eller låg ström, motsvarande en etta eller nolla.

I framtidens mobiler

Det här kommer att bli till stor nytta till exempel i batteridrivna mobiltelefoner eller trådlösa nätverksnoder där man i dag är beroende av kiselbaserad elektronik för att skapa en oscillator. En nod i ett trådlöst nätverk måste kunna hoppa runt kring 5,2–5,7 gigahertz eftersom standarden föreskriver dynamiskt frekvensval (dfs, dynamic frequency selection).

En annan anledning är att man snabbt måste kunna byta frekvens för att kunna komma runt störningar.

– En modern mobiltelefon har kanske tio olika oscillatorer för olika sänd- eller mottagningsfrekvenser, för mobiltelefoni, trådlöst nät, blåtand, gps med mera. Med spinntronik skulle man kunna integrera flera tusen små oscillatorer på en liten kiselbit och lätt svepa dem upp och ned i frekvens, säger Johan Åkerman.

Utan spolar och filter

I spinnvågskretsen skapas signal­en helt utan behov av spolar, kondensatorer och bandpassfilter, komponenter som är mycket platskrävande till och med om de utförs som mikrokomponenter på en kiselkrets. En enda spole på en integrerad krets kan mycket lätt ta upp mera plats än själva elektroniken runt omkring.