De apparaten in kwestie zijn niet-vortex-gelijkmatig gemagnetiseerde spin-torque-oscillatoren (zie diagram)
Magnetische sensoren zijn al opgebouwd uit magnetische tunnelingjuncties (MTJ's) en vanwege hun niet-lineaire elektrische eigenschappen zouden bepaalde MTJ's moeten kunnen fungeren als hoogfrequente oscillatoren en gelijkrichters.
Het grootste deel van het Singapore-Tohoku-project demonstreerde fysiek iets dat eerdere theoretische studies suggereerden: dat de frequentierespons van MTJ's zou kunnen worden verscherpt als er meerdere zouden worden gekoppeld via elektrische verbindingen
"De commerciële levensvatbaarheid van hoogfrequente MTJ's wordt belemmerd door een typisch nanowatt-uitgangsvermogen en een brede [MHz] lijnbreedte", aldus Tohoku University. “Onderlinge synchronisatie van meerdere MTJ's is een manier om dit probleem te overwinnen. Er is echter een effectief pad om de MTJ's op de Wi-Fi bandbreedte was tot nu toe niet duidelijk.”
80 x 200nm 'canted anisotropy' MTJ's werden ontworpen, gefabriceerd in Tohoku en oscilleerden inderdaad zelf als vier van hen in serie of parallel werden geschakeld met enige DC-voorspanning.
Begonnen als niet-gesynchroniseerde oscillatoren, werden ze harmonischer naarmate de stroom toenam, en werden ze volledig gesynchroniseerd met een paar milliampère.
Hun ferromagnetische resonantie lag tussen 2.0 en 2.3 GHz zonder een extern magnetisch veld en kon worden aangepast tot 2.4 GHz door een magnetisch veld aan te leggen.
De parallelle combinatie produceerde een bijzonder zuivere output op 2.4 GHz: met een bandbreedte van 8.4 MHz bij 850nW.
Een van de niet-lineaire effecten die spin-torque-oscillatoren kunnen vertonen, is het 'spin-diode-effect', wat resulteert in een DC-bias die verschijnt over een RF-gepompte spin-torque-oscillator.
In een daaropvolgende proof-of-concept verbond het Singapore-Tohoku-team acht van hun MTJ's in serie over een condensator en bestraalde ze op 2.4 GHz.
Ongeveer 30mV werd gegenereerd, zelfs zonder magnetische voorspanning, bij voldoende gelijkstroom om een rode LED aan te drijven via een LTC3108 gelijkstroom-gelijkstroomomvormer - een chip die is ontworpen voor het oogsten van laagspanningsenergie.
"Dit heeft het potentieel van een on-chip array van de MTJ's bewezen voor hoogfrequente toepassingen zoals draadloze transmissie en energieopwekking", zei projecthoofd Professor Hyunsoo Yang van NUS.
Het werk wordt uitvoerig behandeld in de duidelijk geschreven Nature Communications-paper 'Electrically connected spin-torque oscillators for 2.4 GHz WiFi-bandtransmissie en energieoogst', die zonder betaling volledig kan worden gelezen.