Os nano-osciladores Spin Hall (SHNOs) são dispositivos spintrônicos em nanoescala que convertem corrente contínua em sinais de micro-ondas de alta frequência por meio de auto-oscilações de ondas de spin. Este é um tipo de oscilação de magnetização não linear que é autossustentada sem a necessidade de uma força externa periódica.

Estudos teóricos e de simulação descobriram que a propagação de modos de ondas de spin, nos quais as ondas de spin se movem através dos materiais em vez de ficarem confinadas à região de auto-oscilação, pode promover o acoplamento entre SHNOs.

Esse acoplamento pode, por sua vez, ser aproveitado para ajustar o tempo das oscilações nesses dispositivos, o que pode ser vantajoso para o desenvolvimento de sistemas de computação neuromórfica e outros dispositivos spintrônicos.

Pesquisadores da Universidade de Gotemburgo na Suécia e da Universidade de Tohoku no Japão, em um artigo publicado na Nature Physics , demonstraram experimentalmente tal acoplamento SHNO-para-SHNO mediado por ondas de spin. O estudo deles também mostra como obter controle de voltagem, o tempo e a fase do acoplamento entre os SHNOs.

"Nas últimas duas décadas, nosso grupo (o Applied Spintronics Group da Universidade de Gotemburgo, liderado pelo Prof. Johan Åkerman) tem trabalhado em osciladores spintrônicos, sua sincronização mútua e aplicações em campos como telecomunicações, computação neuromórfica e, mais recentemente, máquinas de Ising", disse Akash Kumar, primeiro autor do artigo.

"O presente estudo foi inspirado pela descoberta da propagação de ondas de spin em nanoosciladores Hall de spin (SHNOs) ."

Como parte de uma pesquisa anterior, a equipe da Universidade de Gotemburgo conseguiu realizar ondas de spin propagadas em SHNOs pela primeira vez, usando amostras de película fina otimizadas do material W/CoFeB/MgO.

Essa conquista crucial lançou as bases para o estudo atual, que teve como objetivo controlar dinamicamente a sincronização mútua de SHNOs usando a física das ondas de spin, especificamente transferindo informações de fase entre os osciladores.

"Tal controle é essencial para atingir acoplamento de longo alcance, um para um, entre pares SHNO separados, bem como em cadeias mais longas", disse Kumar. "Isso quebra a barreira do acoplamento limitado ao vizinho mais próximo visto em sistemas demonstrados anteriormente."

Para realizar seus experimentos, Kumar e seus colegas usaram dispositivos com dois SHNO que são fáceis de fabricar. Com base em seus estudos anteriores, eles conseguiram demonstrar uma sincronização mútua entre esses dispositivos, que foi mediada pela propagação de ondas de spin.

"SHNOs são osciladores versáteis que exibem grande não linearidade de frequência, podem ser fabricados em tamanhos tão pequenos quanto 10 nm e são capazes de sincronização mútua em grandes cadeias unidimensionais e matrizes bidimensionais", explicou Kumar. "As ondas de spin nesses dispositivos permitem a transmissão de informações de fase e amplitude de um SHNO para outro, o que estava ausente em demonstrações anteriores."

Os pesquisadores criaram os dispositivos SHNO que usaram em seus experimentos empregando processos comuns de nanofabricação. Para atingir a sincronização mútua desejada entre os dois dispositivos, eles ajustaram cuidadosamente a anisotropia magnética e a separação entre eles.

"Primeiramente observamos a assinatura da sincronização mútua ajustada por fase em medições elétricas, onde medimos a densidade espectral de potência usando analisadores de espectro de alta frequência", disse Kumar.

"Para confirmar nossas descobertas, realizamos medições de microscopia de espalhamento de luz Brillouin com resolução de fase (?-BLS) usando nossas instalações de última geração, o que nos permitiu visualizar diretamente a fase de cada oscilador e validar nossa hipótese", disse Avinash Kumar Chaurasiya, um dos primeiros autores do estudo e responsável pelas medições de microscopia.

"Para validar ainda mais seus resultados e confirmar a presença de sincronização mútua ajustada por fase entre os osciladores, executei uma série de simulações micromagnéticas", disse o aluno de pós-graduação Victor González, também primeiro autor compartilhado do artigo. Essas simulações confirmaram a hipótese original, destacando o potencial de sua abordagem para controlar o acoplamento entre dispositivos SHNO.

"A transferência de informações de fase entre SHNOs será altamente útil para diversas aplicações", disse Kumar.

"Com mais escala e controle de voltagem, esse acoplamento pode permitir que dispositivos SHNO sejam utilizados para máquinas Ising, que são aceleradores de cálculo baseados em hardware de otimização combinatória. Essas máquinas têm o potencial de operar em temperatura ambiente e são verdadeiramente nanoscópicas em tamanho, tornando-as práticas e altamente eficientes."

Este estudo recente de Kumar e seus colegas destaca a possibilidade de alavancar ondas de spin propagantes para controlar dinamicamente o acoplamento entre SHNOs. No futuro, isso pode abrir novas possibilidades empolgantes para o desenvolvimento de vários dispositivos spintrônicos que podem ser melhor equipados para lidar com otimização do mundo real e tarefas computacionais.

"Como parte de nossos próximos estudos, planejamos escalar o sistema para incorporar um grande número de SHNOs e usar gating de voltagem para fornecer controle local de acoplamento sob demanda e com eficiência energética", acrescentou Kumar. "Esses avanços tornarão esses dispositivos realmente funcionais para aplicações do mundo real."