Shingo Tamaru（特邀高级研究员）、金属自旋电子学团队、自旋电子学研究中心（SRC；主任：Shinji Yuasa）、日本国立先进产业技术研究所（AIST；所长：Ryoji Chubachi）和 Hitoshi Kubota（原理研究经理）和 Akio Fukushima（副主任）、SRC、AIST 开发了锁相环（PLL）电路设计用于稳定自旋扭矩振荡器（STO）的振荡频率，并演示了从 STO 生成高度相干的微波信号。

STO 是一种纳米级磁阻器件，通过施加直流电压产生微波信号。 STO 生成的 7344 GHz 微波信号通过开发的 PLL 电路锁相到 153 MHz 参考信号，从而产生低于测量极限 (1 Hz) 的极窄谱线宽度。迄今为止报道的基于单个磁隧道结（MTJ）的 STO 产生的微波信号的最窄谱线宽度已由 AIST 实现了 3 MHz。开发的 PLL 电路显着提高了 STO 振荡的频率稳定性。这一成就预计将加速 STO 作为压控振荡器 (VCO) 的实际应用的进展。

详细结果将发表在科学期刊上，科学报告，由自然出版集团出版。

开发的PLL电路照片和微波信号的频谱

近来，各种微波通信设备（例如蜂窝电话和无线LAN）已经普及，其中使用由半导体晶体管和谐振器组成的VCO。传统VCO中使用的谐振器尺寸达数百μm，这是进一步小型化和降低成本的主要障碍之一。另一方面，STO是一种纳米级磁阻器件，不需要外部谐振器，因此与传统VCO相比，作为超小型VCO而引起了广泛关注。然而，STO 的频率稳定性相当差，阻碍了 STO 在实际电子系统中的采用。

AIST 一直致力于通过应用自旋电子存储器件研究中获得的知识和经验来开发 STO 的薄膜沉积和微加工技术。为了在实际应用中使用 STO，它必须表现出大输出功率和高频率稳定性。为了这个目标，研究人员一直致力于实现基于MTJ的STO的稳定振荡，该STO具有高磁阻比。他们已经实现了当时世界最高的输出功率以及单个 STO 输出信号的世界最佳频率稳定性（AIST 新闻稿于 2008 年 8 月 28 日和 2014 年 1 月 8 日）。

这项工作得到了日本学术振兴会科学研究补助金（S）“高频自旋电子学的研究与开发”的部分支持。

为了实现基于MTJ的STO在实际应用中足够好的频率稳定性，研究人员改进了STO的振荡特性，并开发了一种旨在稳定STO振荡频率的PLL电路。这项工作中使用的 STO 由 MTJ 制成，该 MTJ 由约 1 nm 的超薄 MgO 隧道势垒和含 Fe 的非晶磁性合金层组成。 MgO和磁性合金层之间的界面倾向于沿着垂直于界面平面的方向排列自旋。利用这种界面特性稳定了自旋进动轨迹。随着施加电压的增加，该 STO 的振荡频率会降低。图 1 显示了 PLL 电路的框图和照片。在此 PLL 电路中，STO 输出信号减数 48，并将其相位与 153 MHz 参考信号的相位进行比较。这两个信号之间的相位差被转换为电压信号，并反馈到 STO 以动态调整振荡频率，使相位差始终最小化。反馈信号中包含的高频寄生信号会干扰 STO 振荡，并被滤波器阻挡以实现稳定的反馈操作。

(a)

(b)

图 1：使用 STO 作为 VCO 开发的 PLL 电路，(a) 框图，(b) 照片

图2显示了所开发的微波振荡器生成的输出信号的频谱。中心频率为7344 GHz。代表频率波动的谱线宽度非常窄，低于1 Hz的测量极限，这清楚地表明了良好的频率稳定性。

图2：所开发的微波振荡器产生的微波信号的频谱

STO的振荡性能，特别是电压的频率可调性，将进一步提高，并且将完善PLL电路设计以实现更高的频率响应，以开发基于STO的更高性能的微波振荡器。这些努力应该会导致 STO 作为超小型、低成本微波振荡器的实际应用。