Synchronization of spin-torque oscillators

• Applicant: Professor Dr. Arkady Pikovsky
• Subject Area: Statistical Physics, Nonlinear Dynamics, Complex Systems, Soft and Fluid Matter, Biological Physics
• Term: from 2013 to 2019
• Project identifier: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Project number 237264495

• Final Report Year: 2018

Final Report Abstract

Dieses Projekt untersucht Synchronisierungseigenschaften gekoppelter nanomagnetischen Spin-Torque-Oszillatoren. Wir haben wesentliche Unterschiede zu anderen Systemen gekoppelter Oszillatoren festgestellt. Der Grund dafür ist eine starke Sensibilität der Schwingungen in breiten Parameterintervallen, bedingt durch die Nähe zu homoklinischen Bifurkationen. Für einen periodisch getriebenen STO spiegelt sich dieser Faktor in einer ausgefallenen Form des Synchronisierungsbereichs wieder. Für zwei gekoppelte Einheiten haben wir die komplizierten multistabilen dynamischen Zustände außerhalb des Hauptresonazbereiches gefunden. Weiterhin haben wir die kollektive Dynamik in einem Stapel aus seriell-gekoppelten und in unterschiedliche Schaltkreise eingebetteten Spin-Torque-Oszillatoren untersucht. Synchronisierte Präzession aller magnetischen Momenten wird durch die Nähe zu den homoklinen Bifurkationen gehindert. Als Folge entstehen partiell synchronisierte kollektive Zustände, wo ein Teil der Oszillatoren sich in die Clusters sammelt währenddessen magnetische Momenten aller anderen Elementen ungeordnet bleiben. Einfluss vom gemeinsamen Rauschen in der Form einer stochastischer Modulation des elektrischen Stroms durch die STO-Stapel führt zu Unterdrückung der Präzession und zu Ausrichtung aller Elementen entlang des äußeren Feldes; je nach der Konfiguration des elektrischen Stromkreises kann dieser Zustand intermittent oder beständig sein.

Publications

• Robust synchronization of spin-torque oscillators with an LCR load, Phys. Rev. E 88 (2013), 032812
  A. Pikovsky
  (See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevE.88.032812)
• Frequency locking near the gluing bifurcation: Spintorque oscillator under periodic modulation of current, Physica D 335 (2016), 33– 44
  M. A. Zaks and A. Pikovsky
  (See online at https://doi.org/10.1016/j.physd.2016.06.008)
• Chimeras and complex cluster states in arrays of spin-torque oscillators, Scientific Reports 7 (2017), 4648
  M. Zaks and Pikovsky
  (See online at https://doi.org/10.1038/s41598-017-04918-9)