【摘 要】自旋转移力矩纳米振荡器（Spin Torque Nano-Oscillator，STNO）是利用自旋转移力矩效应（Spin Transfer Torque， STT），即利用极化电流引起磁性纳米结构中的自由磁性层的磁矩进动，产生微波振荡的一种微波振荡器。本文介绍了STT效应以及STNO的工作原理，并根据磁动力学方程研究影响振荡器相关特性的因素，并展望其应用前景。

　　【关键词】自旋电子学 自旋转移力矩纳米振荡器 自旋转移力矩效应
　　1 引言
　　电子不仅有质量和电荷，还带有自旋属性。传统电子学中只是利用了电子的电荷属性，直到巨磁阻效应[1]（Giant MagnetoResistance， GMR）的发现电子自旋才被广泛的研究。1996年，Slonczewski[2]和Berger[3]两人分别独立提出在磁性多层薄膜中电流可以直接操控磁矩，这种现象我们称为自旋转移力矩效应[4]（Spin Transfer Torque， STT）。 这种效应提供了一种新方法，可以有效的仅依靠电流来调控磁性薄膜磁化方向，而无需外加磁场。基于此效应，一种新型的微波振荡器被提出来，即自旋转移力矩纳米振荡器[5]（Spin-Torque Nano-Oscillator， STNO）。STNO利用自旋极化电流诱导纳米磁体磁矩翻转，从而产生微波振荡。本文介绍了STNO的工作原理，并研究了不同因素对振荡器频率的影响，并展望其应用前景。
　　2 STNO工作原理
　　STT效应可以通过一个三明治结构“固定铁磁层（FM）/非磁性层（NM）/自由铁磁层（FM）”[6]来实现，其基本原理如图1（a）所示。当外加电流通过此结构时，电子在固定层被自旋极化，极化方向与固定层磁矩方向一致；当电流通过中间非磁性层时，电子自旋极化方向保持不变；当电流到达自由层时，由于电子极化方向与自由层磁矩极化方向存在夹角，自由层磁矩在自旋转移力矩驱动作用下发生偏离。
　　当外加电流比较小时（STT作用小于阻尼矩作用），自由层磁矩在进动一段时间后稳定到沿着有效磁场方向（类似于只有阻尼矩存在的情况）；当输入电流使得STT作用与阻尼矩作用抵消，则可使得自由层磁矩产生稳定的周期摆动；当电流继续增大时，STT作用克服阻尼作用，使得磁矩发生偏转[7]。
　　STNO基本结构如图1（b）所示，I是外加电流，Vout是振荡输出电压信号。当STNO工作时，在外加电流I的作用下，自由层磁矩产生稳定的周期性摆动，通过巨磁阻效应（GMR）或庞磁电阻效应（TMR）使得三层结构的总电阻发生稳定的周期振荡，从而产生稳定的微波振荡电压信号Vout。
　　STT效应可以用含有自旋力矩转移项的LLGS方程来描述，即：
　　3 仿真结果与讨论
　　本文工作主要是改变不同参数来研究其对于STNO振荡频率的影响。具体包括如下几个方面：一方面，考虑不同外加电流情况下，极化电流对于STNO振荡频率的关系；另一方面，研究在不同大小的阻尼因子条件下，极化电流与STNO振荡频率的关系；前面两组是不考虑各向异性Hk的前提完成的，之后考虑在不同大小的各向异性情况下，不同大小的极化电流对于STNO振荡频率的关系。
　　3.1 驱动电流对于STNO振荡频率的影响
　　外加驱动电流为200Oe时，磁矩矢量M在x轴方向上的分量mx随时间的变化以及磁矩矢量M的空间轨迹如图2所示；外加驱动电流为400Oe时，类似特性如图3所示。从图中我们可以看出，在固定的驱动电流作用下，磁矩可以产生稳定的周期振荡，并且磁矩矢量M的空间轨迹为一个封闭的轨道。同时，可以看到，电流为200Oe和400Oe时的轨迹形貌差别很大，通过分析我们可以知道，电流为200Oe时的运动轨迹为IP（In Plane）模式，电流为400Oe的运动轨迹为OOP（Out Of Plane）模式。
　　图4给出STNO振荡频率与外加驱动电流的关系。从图中我们可以看到，随着外加电流的增加，STNO振荡频率先降低再增加。电流增加频率减小区域磁矩运动的轨迹为IP模式；电流增加频率增大区域磁矩运动的轨迹为OOP模式。
　　3.2 阻尼因子对于STNO振荡频率的影响
　　从LLGS方程中可以看到，阻尼因子α对STNO的相关特性有着重要的影响。阻尼指的是任何振动系统中，振动幅度在外界作用、系统本身固有的因素作用下，逐渐下降的过程。
　　我们对不同阻尼状态下的磁矩轨迹进行了分析，进而研究阻尼因子对STNO振动特性的影响。如图5所示，图5（a）、（b）、（c）和（d）分别是磁矩在空间中的运动轨迹，其中外加驱动电流为200Oe保持不变，只改变阻尼α。从图中可以看出，阻尼因子α为0.01时，运动轨迹为OOP模式；当阻尼因子α增加到0.02和0.04时，运动轨迹变为IP模式；当阻尼因子α进一步增大到0.1时，该状态下由于阻尼过大，最终处于稳定模式，并没有产生周期性的稳定持续振荡。
　　图6为不同阻尼因子取值时STNO振荡频率与驱动电流之间关系。这里电流范围我们考虑150Oe-500Oe；阻尼因子取值分别为0.005、0.01、0.02、0.04和0.1。从图中得出，当阻尼因子为0.005和0.01时，随着驱动电流的增加，振荡频率也随之增加，振动轨迹为OOP模式；当阻尼因子为0.02时，振荡频率随驱动电流增加，先降低再增加，振动模式先为IP模式，再为OOP模式；可以考虑到在外加电流小于150Oe时，阻尼因子为0.005和0.01的进动过程能够处于IP模式中。
　　当阻尼因子为0.04时，振荡频率随着驱动电流增大而减小，这里运动轨迹处于IP模式；当阻尼因子达到0.1（足够大）时，阻尼因素影响比较大，STNO中自旋转移力矩无法克服阻尼因素的存在产生稳定的周期进动。在这种情况下，当外加驱动电流增大到500Oe时，才可以产生稳定周期振动，此时的处于IP模式。 　　3.3 有效磁场中Ha以及Hk对STNO振荡频率的影响
　　图7为不同有效磁场x轴分量Hx取值STNO振荡频率与驱动电流之间关系。如公式2所示，这里Hx=Ha+Hkmx。这里考虑x轴分量只有Ha的存在，忽视Hk。有效磁场x轴分量Hx取值分别为50Oe、100Oe、200Oe、500Oe和1000Oe，而阻尼因子 恒取值为0.02。图中，当有效磁场场x轴分量Hx增大时，随着驱动电流的增加（150Oe-500Oe），振荡频率也随之变化。对于同一驱动电流，更大的有效场x轴分量Hx会得到更高的振荡频率；对于同一有效磁场中的分量Hx，振荡频率的变化为先下降后上升。
　　以上我们没有考虑磁各向异性对STNO的影响，而在实际的磁性材料制备以及器件设计过程中，磁各向异性必须考虑进来。
　　如图8，我们给出了不同Hk对应的STNO振荡频率与驱动电流之间关系。不论Hk取值为50Oe还是100Oe，都满足频率随电流的增大而表现出先减小后增大的规律。而随着Hk取值的增加，频率变化的转折点逐渐左移。整体来说，在运动轨迹处于IP区域，频率变化比较快；当电流大到一定程度后，频率变化幅度比较小，处于OOP区域。
　　4 总结与展望
　　利用LLGS方程描述自旋纳米振荡器的磁动力学过程，本文在此方程的基础上考虑不同因素对振荡器频率的影响，研究了STNO的相关特性，研究结果表明，驱动电流、阻尼因子和各向异性对STNO的输出频率都有直接的影响。考虑到在实现单个STNO满足较大的输出功率以及较窄线宽具有极大的挑战，越来越多的目光放在研究STNOs的锁相同步领域。
　　参考文献：
　　[1]Binasch G， Grünberg P， Saurenbach F， et al. Enhanced magnetoresistance in layered magnetic structures with antiferromagnetic interlayer exchange[J]. Physical review B， 1989， 39（7）：4828-4830.
　　[2]Slonczewski J C. Current-driven excitation of magnetic multilayers[J].Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 1996， 159（1）：L1-L7.
　　[3]Berger L. Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current[J].Physical Review B， 1996， 54（13）：9353-9358.
　　[4]姜勇.自旋角动量转移效应的实验研究[J].物理学进展，2008，28（3）：215-235.
　　[5]Kiselev S I， Sankey J C， Krivorotov I N， et al. Microwave oscillations of a nanomagnet driven by a spin-polarized current[J]. Nature， 2003， 425（6956）： 380-383.
　　[6]Slonczewski J C. Current-driven excitation of magnetic multilayers[J]. Journal of Magnetism and Magnetic Materials， 1996， 159（1）： L1-L7.
　　[7]钟智勇，王棋，金立川 等.自旋转矩纳米振荡器的研究进展[J].真空电子技术，2013，2：19-24.