近日，我校首届“强基计划”本科生、国豪书院应用物理专业王亦悦在国际物理学高水平期刊《应用物理快报》（Applied Physics Letters）在线发表了题为“Binary frequency shift keying modulation in spin torque oscillators with synthetic antiferromagnetic layer”一文。

自旋转矩纳米振荡器（STNO）是一种具有应用潜力的微波源自旋电子器件。然而，目前它所产生的微波信号仍然受到发射功率低和频谱线宽大等不利因素制约。为了克服技术制约，研究人员一直在寻找新的调制技术来提高STNO的性能，其中频率调制（FSK）方法是一种可能的技术方案。

该论文从反铁磁材料体系具有THz超快磁激发特性中获得启发，通过构建人工反铁磁材料结构（SAF）替代传统的单层铁磁层作为STNO中的自由层，并采用电流(STT效应)和电场（VCMA效应）协同调控的设计思路；理论上采用旋转坐标系的分析技巧，结合微磁学仿真技术，建立了如何实现高频和稳定的自旋波信号激发的理论框架，设计了二进制等辐调频（FSK）微波信号的可行性方案。论文提出的STNO器件结构图如图1所示。SAF结构自由层具有垂直磁各向异性，该各向异性可以通过施加电场来调控其大小。不同的电流和电场组合可以驱动磁矩M1和M2在不同轨道上绕z轴进动，磁矩进动的频率与电流相关，进动振幅与轨道(mz)相关。通过电流和电场的协同控制，可以在同一进动轨道(mz)上实现不同频率的磁矩进动，如图2所示，因此，可以实现二进制频移键控调制技术。该研究为自旋微波振荡器的器件研发提供了新思路，具有实际意义和理论价值。     

图1.电流和电场协同调控的自旋转矩纳米振荡器示意图，SAF结构自由层磁矩的进动轨道

图2.二进制等辐调频（FSK）微波信号的可行性方案

王亦悦为论文第一作者，同济大学物理科学与工程学院刘要稳教授和北航合肥研究院陈浩轩博士为论文共同通讯作者，博士后郑翠秀和硕士生张大林参与了研究工作。该研究获得国家自然科学基金和同济大学SITP项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1063/5.0165962