Du nano-oscillateur à transfert de spin, à l'analyseur de spectre à balayage de fréquences

Publié par Redbran le 16/12/2020 à 13:00
Source: CEA IRIG

Pour répondre à l'augmentation constante de la quantité de données transmises sans fils, des chercheurs de l'Irig mettent au point des éléments de base de la communication à haut débit entre objets connectés. Ils travaillent sur des analyseurs de spectre ultra-rapides basés sur un oscillateur (En physique, un oscillateur est un système manifestant une variation périodique dans le temps (ou...) interne (En France, ce nom désigne un médecin, un pharmacien ou un chirurgien-dentiste, à la...) de taille nanométrique (un nano-oscillateurs à couple de transfert de spin) qui permet pour la première fois de façon expérimentale ( En art, il s'agit d'approches de création basées sur une remise en question des dogmes...) de repousser les limites habituelles de vitesses de balayage et leur ouvre ainsi un nouveau champ (Un champ correspond à une notion d'espace défini:) d'applications.

Dans notre monde (Le mot monde peut désigner :) numérique (Une information numérique (en anglais « digital ») est une information...) et avec le développement rapide de l'Internet des objets (L'Internet des objets représente l'extension d'Internet à des choses et à des lieux...) et de l'électronique portable, la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de données (Dans les technologies de l'information (TI), une donnée est une description élémentaire, souvent...) transmises sans fil est en constante augmentation. Cela impose des débits de données de plus en plus élevés. Les technologies de la communication (La communication concerne aussi bien l'homme (communication intra-psychique, interpersonnelle,...) nécessitent donc le développement d'outils performants de mesure, capables d'une analyse spectrale (L'analyse spectrale est une méthode utilisée en physique pour déterminer les caractéristiques...) rapide afin de mettre au point (Graphie) les éléments de base de la communication à haut débit (Le terme de haut débit (ou large bande par traduction littérale de l'expression anglosaxonne...) entre objets connectés.

L'élément clef (Au sens propre, la clef ou clé (les deux orthographes sont correctes) est un dispositif amovible...) d'un analyseur de spectre est un oscillateur interne dont la fréquence (En physique, la fréquence désigne en général la mesure du nombre de fois qu'un...) peut être balayé via un signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) de contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de...), variant linéairement pendant un temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le...) T. Afin d'analyser un signal dont le contenu spectral peut changer rapidement dans le temps, il faut être capable de balayer la gamme de fréquence de cet oscillateur sur un temps T le plus court possible. Habituellement on utilise des oscillateurs contrôlés en tension (La tension est une force d'extension.) (VCO, pour voltage control oscillator) qui ont des vitesses de balayage limitées (T > 1 microseconde) découlant des dimensions (Dans le sens commun, la notion de dimension renvoie à la taille ; les dimensions d'une pièce...) macroscopiques des composants utilisés. Des chercheurs de l'Irig travaillent sur des nano-oscillateurs à couple de transfert de spin (Le spin est une propriété quantique intrinsèque associée à chaque...) ou STNO (Figure) dont la fréquence peut être balayée sur des échelles de temps en dessous de 100 ns, donc beaucoup plus courtes que le VCO. C'est grâce à leurs dimensions nanométriques, et aux propriétés non-linéaires de la dynamique (Le mot dynamique est souvent employé désigner ou qualifier ce qui est relatif au mouvement. Il...) de l'aimantation que l'on peut réduire drastiquement ce temps de balayage.


Figure: Schématisation d'un nano-oscillateur à couple de transfert de spin (STNO). L'injection d'un courant, polarisé par la couche fixe (bleue), met en auto-oscillation l'aimantation de la couche libre (jaune). Les STNO sont des empilements de couches ferromagnétiques de quelques nanomètres d'épaisseurs et de quelques dizaines de nanomètres de diamètres.

C'est la première fois que des chercheurs démontrent expérimentalement (Pour en savoir plus, voir encadré) que l'utilisation de tels STNO dans des analyseurs de spectre peuvent repousser les limites habituelles de vitesses de balayage. Les chercheurs ont également démontré qu'il est possible de résoudre plusieurs composantes de fréquence simultanément ou de suivre les changements rapides de fréquence d'un signal. Cela fait des analyseurs de spectre ultra-rapides basés sur les STNO une technologie (Le mot technologie possède deux acceptions de fait :) très prometteuse qui leur ouvre un nouveau champ d'applications.

Pour en savoir plus: Schéma expérimental de l'analyseur de spectre à balayage en fréquence avec STNO

Un courant DC IDC induit (L'induit est un organe généralement électromagnétique utilisé en électrotechnique chargé de...) une oscillation (Une oscillation est un mouvement ou une fluctuation périodique. Les oscillations sont soit à...) entretenue d'une couche magnétique, ce qui crée un signal microondes aux bornes du STNO. Grâce aux propriétés non-linéaires de l'aimantation, la fréquence du STNO fSTNO est balayée par un signal VSW en dents de scie (Une scie est un outil destiné à couper le bois ou d'autres types de matériaux, constituée d'une...) à période T. Le signal micro-onde (Les micro-ondes sont des ondes électromagnétiques de longueur d'onde intermédiaire entre...) modulé est ensuite mélangé avec le signal externe Vin à fréquence inconnue. Le signal mélangé passe dans un filtre (Un filtre est un système servant à séparer des éléments dans un flux.) adapté, induisant un pic étroit Vspec dont la position en temps to 0oin. Les deux graphes montrent un exemple pour lequel la fréquence du STNO est balayée entre 8,8 et 9,4 GHz et la fréquence du signal Vin varie en forme de dents de scie. Graphe (Le mot graphe possède plusieurs significations. Il est notamment employé :) du haut: pics Vspec pour 14 périodes consécutives de balayage à T = 50 ns. Graphe du bas: représentation, sous forme d'un spectrogramme fréquence-temps, de l'évolution temporelle de la fréquence pour les 14 périodes consécutives, montrant que l'analyseur de spectre à base d'un STNO peut résoudre et détecter, sur une échelle de 50 ns, la variation en fréquence du signal externe Vin.

Collaboration: Université (Une université est un établissement d'enseignement supérieur dont l'objectif est la...) d'Oakland, Rochester, USA & INL, Braga, Portugal.
Financement: ERC Magical.

Références:
Litvinenko A, Iurchuk V, Sethi P, Louis S, Tyberkevych V, Li J, Jenkins A, Ferreira R, Dieny B, Slavin A and Ebels U
Ultrafast sweep-tuned spectrum analyzer with temporal resolution based on a spin-torque nano-oscillator.
Nano Letters, 2020.
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