Bei den fraglichen Geräten handelt es sich um gleichmäßig magnetisierte Spin-Torque-Oszillatoren ohne Wirbel (siehe Abbildung).
Magnetische Sensoren wurden bereits aus magnetischen Tunnelübergängen (MTJs) hergestellt, und aufgrund ihrer nichtlinearen elektrischen Eigenschaften sollten bestimmte MTJs als Hochfrequenzoszillatoren und Gleichrichter fungieren können.
Der Hauptteil des Singapore-Tohoku-Projekts bestand darin, etwas physikalisch zu demonstrieren, was frühere theoretische Studien nahegelegt haben: Der Frequenzgang von MTJs könnte sich schärfen, wenn mehrere über elektrische Verbindungen gekoppelt würden
„Die kommerzielle Realisierbarkeit von Hochfrequenz-MTJs wird aufgrund einer typischen Ausgangsleistung im Nanowattbereich und einer breiten [MHz] Linienbreite behindert“, so die Tohoku-Universität. „Die gegenseitige Synchronisierung mehrerer MTJs ist eine Möglichkeit, dieses Problem zu lösen. Allerdings gibt es einen effektiven Weg, die MTJs am zu synchronisieren Wi-Fi Bandbreite war bisher nicht klar.“
MTJs mit einer abgeschrägten Anisotropie von 80 x 200 nm wurden in Tohoku entworfen, hergestellt und oszillierten tatsächlich selbst, wenn vier von ihnen in Reihe oder parallel mit einer Gleichstromvorspannung geschaltet waren.
Ausgehend von nicht synchronisierten Oszillatoren wurden sie mit zunehmendem Strom harmonischer und wurden um einige Milliampere vollständig synchronisiert.
Ihre ferromagnetische Resonanz lag zwischen 2.0 und 2.3 GHz ohne externes Magnetfeld und konnte durch Anlegen eines Magnetfelds über 2.4 GHz eingestellt werden.
Die Parallelkombination ergab einen besonders sauberen Ausgang bei 2.4 GHz: mit einer Bandbreite von 8.4 MHz bei 850 nW.
Einer der nichtlinearen Effekte, die Spin-Torque-Oszillatoren aufweisen können, ist der "Spin-Diode-Effekt", der dazu führt, dass eine Gleichstromvorspannung über einem HF-gepumpten Spin-Torque-Oszillator auftritt.
In einem anschließenden Proof-of-Concept verband das Singapur-Tohoku-Team acht seiner MTJs in Reihe über einen Kondensator und bestrahlte sie mit 2.4 GHz.
Selbst ohne magnetische Vorspannung wurden bei ausreichendem Gleichstrom etwa 30 mV erzeugt, um eine rote LED über einen LTC3108-Gleichspannungswandler anzusteuern - einen Chip, der für die Energiegewinnung bei niedriger Spannung ausgelegt ist.
"Dies hat das Potenzial eines On-Chip-Arrays der MTJs für Hochfrequenzanwendungen wie drahtlose Übertragung und Energiegewinnung bewiesen", sagte Projektleiter Professor Hyunsoo Yang von NUS.
Die Arbeit wird ausführlich in dem klar geschriebenen Nature Communications-Artikel „Elektrisch angeschlossene Spin-Torque-Oszillatoren für die 2.4-GHz-WiFi-Bandübertragung und Energy Harvesting“ behandelt, der ohne Bezahlung vollständig gelesen werden kann.