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스핀 오실레이터는 전자 스핀으로 만들 수 있는 꽤 유망한 소자입니다.
오실레이터(발진기)는 말 그대로 동일한 신호를 주기적으로 내보내는 소자입니다. 보통 Sine파로 내보내는데, 고체소자로는 보통 트랜지스터 기반으로 사용되어왔습니다.
전자 Spin을 이용한 오실레이터는 크게 4가지 종류입니다.
1. spin-transfer torque (STT)를 이용한 MTJ 기반 소자
2. spin orbit torque(SOT)를 이용한 Bilayer 기반 소자
3. Magnetic Domain (도메인)를 이용한 MTJ 기반 소자
4. 스핀파(spin wave), magnon를 이용한 Bilayer 기반 소자.
소자 종류는 4가지이지만, 오 실 레이팅을 하는 기본 원리와, 기본 경향은 모두 비슷합니다.
스핀세차운동토크(spin precession torque)에서 다루었듯, Spin은 항상 pressesion을 합니다. 회전하며 주기적으로 위치가 바뀌고 터널자기저항(tunnelling magnetoresistance, TMR), island AHE ( Anomalous Hall Effect ) 측정법으로 Spin의 방향에 따라 저항이 달라지는 원리를 이용해 저항변화를 읽으면 됩니다.
간단하게 STT를 이용한 MTJ 소자로 설명을 드리기 위해 다음 그림을 참조하겠습니다.
Spin에는 총 4가지의 힘이 작용합니다. 위 그림에서 점선으로 된 Spin이 움직이는 궤적을 유지시켜 일정한 주기를 얻기 위해서는 2번과 3번의 힘이 같아야 합니다. 이때 3번의 경우 가해주는 전류 크기에 따라 변화하게 되는데, 3이 커지면 궤적이 커지고, 3이 작아지면 궤적이 작아져서 주기가 달라지게 됩니다. 따라서 가해주는 전류에 따라 발진되는 주파수가 변화하게 됩니다.
통신파트 중에 PLL (Phase Locked Loop)이라는 파트가 있는데, 이는 통신에서 중요한 요소로 한 오실레이터에서 주파수를 변화시키는 기능이 있어야 합니다.(고체 초고주파 신호 발생기 , 오실레이터 (GHz THz Signal Generation , oscillator)을 참고 바랍니다.) 기존 오실레이터에서는 주파수를 변화시키기 위해 많은 노력을 들였는데 Voltage controlled oscillator라 하여 varactor와 ring oscillator를 주로 사용해왔습니다. 스위치를 달아주고 오실레이터 소자 내에 특수한 커패시터를 달아주는 방법으로 수행되었습니다. 이와 다르게 Spin oscillator에서는 단순히 전류만 바꿔주면 됩니다.
위는 각종 VCO를 비교한 표인데, 다른 VCO에 비해 부족하지 않은 성능을 보여줍니다.
다시 본론으로 돌아가지면, Spin oscillator에 DC 전류를 넣어주면 알아서 RF source가 발생되게 됩니다. 2개의 Contact으로 되어있는 소자이므로 DC와 RF를 분리해내야 하는데, 그를 위한 Component를 Bias tees (바이어스 티)라 하며 DC와 RF를 분리하여 읽게 됩니다.
실험적으로 50nm에서 500nm 지름 소자에서 0.1 GHz에서 1 GHz까지 쉽게 얻으며 20 GHz까지는 불안정하게 얻어지긴 합니다. 최근에는 Antiferromagnet을 이용하여 THz 영역까지 도달하고자 합니다.
Oscillator로 만들었으니, 역으로 detector로도 쓰일 수 있는데, 이는 아직 신호가 너무 작기 때문에 연구가 진행되고 있는 상황입니다. 또한 이 detecting이 가능하다면, 외부 파장에서 DC power를 제작하는 원리이므로 Energy harvesting까지 발전할 수 있습니다.
추가로 이 Spin osillator는 소자가 작고, 전류에 의해 주파수가 쉽게 바뀔 수 있다는 성질 때문에 뉴로모픽 컴퓨팅 (Neuromorphic Computing)에 이용될 수 있습니다.
Oscillator 관점으로만 본다면, Spin을 이용한 Microwave Device의 경우 Oscillator와 filter로 f/FWHM으로 표현되는 Quality factor가 18000으로 좋으며, tunable 하여 1~40 GHz로 이전의 Oscillator와는 획기적으로 다른 성질을 갖는 장점이 있습니다. 하지만 low power이며, 이들은 10pW인데 상용화가 되려면, mW~μW가 되어야 합니다. 또한 좁은 frequency range인 것과 frequency hopping 즉 간섭이 많아 incoherence 한 성질도 극복해야 합니다.
이때 power가 낮은 것에는 GMR을 TMR로 바꾸어 높이거나 multiple phase locking으로 많은 수 의 파를 locked 합니다. 또한 낮은 전류에서 precession angle을 높이는 방법도 고려됩니다.
국내에서는 KIST 민병철 박사님께서 활발히 연구 중입니다.
추후 더 정확한 물리적 설명과 공식을 추가하겠습니다.
읽어주셔서 감사합니다!
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