Spintronics is the study of electron spins and their utilization in electronic devices. Within this field, spin-based oscillators have shown promise for mi- crowave signal generation as they can operate at high frequencies, are small in scale and are compatible with modern fabrication techniques. Among these oscillators are the spin Hall nano-oscillators (SHNOs). They are nanoscale thin-film structures driven by pure spin-current injection from a primary con- ductor into a ferromagnetic material. This process can be used to generate microwave signals through oscillations in the material’s magnetization. By constraining the current flow in the device to individual constrictions, an ar- ray arrangement of multiple oscillators can be realized. These oscillators can then be coupled together via their internal interactions to achieve mutual syn- chronization and improve their characteristics.In this work, a versatile micromagnetic modelling procedure for simulating constriction-based SHNOs and their synchronization dynamics in different ar- ray arrangements is presented. A case study of various 2x2 array geometries is conducted along with an exploration of higher-order networks of 4x4, 6x6 and 8x8 oscillators. A perturbative optimization algorithm is developed to improve excitation conditions and drive geometries into a synchronized regime. Lastly, a comparison to nonlinear auto-oscillator theory is presented to illustrate the dependence of generated signals on constriction sizes and the spacing between oscillators. Mutual synchronization between multiple oscillators is achieved and favourable geometry and excitation conditions are defined. The conducted simulations show good agreement with experimental results and illustrate the potential for future studies of SHNO characteristics through micromagnetic modelling. / Spinntronik är ett forskningsområde, som handlar om hur elektronens s.k. spinn kan användas i elektroniska komponenter. Inom detta område har spinnbaserade oscillatorer visat sig ha lovande egenskaper för generering av mikrovågssignaler, eftersom de har höga arbetsfrekvenser, liten storlek och är kompatibla med moderna tillverkningstekniker. En typ av dessa oscillatorer kallas spinn-Hall nano-oscillatorer (SHNO). De är nanometerstora tunnfilms- strukturer, vilka drivs av en ren spinnström, som injiceras från en (metallisk) ledare till en ett ferromagnetiskt material. Denna mekanism kan användas för att skapa mikrovågssignaler genom oscillationer i materialets magnetisering. Genom att begränsa strömflödet i komponenten till enskilda gap kan man skapa en matris med ett stort antal oscillatorer. Dessa oscillatorer kan sedan kopplas till varandra genom interna utbytesmekanismer och på så sätt uppnår man en ömsesidig koppling och förbättrade egenskaper.I detta arbete presenteras ett mångsidigt mikromagnetiskt modelleringsflö- de, för att simulera SHNO:er, baserade på nano-gap, och deras synkronisering i olika matriskonfigurationer. En fallstudie som inkluderar olika 2x2 matris- geometrier har genomförts tillsammans med explorativ utforskning av högre ordnings nätverk, såsom 4x4, 6x6 och 8x8 oscillatorer. En störnings-baserad optimerings-algoritm har utvecklats för att förbättra exciterings-parametrarna och för att tvinga geometrierna in i en synkroniserad regim. Som en avslutning presenteras en jämförelse med icke-linjär auto-oscillatorteori för att visa den genererade signalens beroende på gapens storlek och avståndet mellan dem. Ömsesidig synkronisering mellan flera oscillatorer kunde uppnås och en för- delaktig geometri samt lämpliga värden på exciterings-parametrarna kunde definieras. Simuleringarna i studien hade bra överensstämmelse med experi- mentella resultat och visar på potentialen för vidare studier av SHNO egen- skaper med hjälp av mikromagnetisk modellering.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-285562 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Sigurdsson, Ari |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2020:792 |
Page generated in 0.0021 seconds