We demonstrate field and current controlled magnetodynamics in nanocontact spin-torque nano-oscillators based on orthogonal magnetic tunnel junctions. We systematically analyze the microwave properties (frequency f, linewidth Δf, power P, and frequency tunability df/dI) with their physical origins—perpendicular magnetic anisotropy, dampinglike and fieldlike spin transfer torque (STT), and voltage-controlled magnetic anisotropy (VCMA). These devices present several advantageous characteristics: high emission frequencies (f>20 GHz), high frequency tunability (df/dI=0.25 GHz/mA), and zero-field operation (f4 GHz). Furthermore, detailed investigation of f(H, I) reveals that df/dI is mostly governed by the large VCMA [287 fJ/(V m)], while STT plays a negligible role.

1.
J. S.
Moodera
,
L. R.
Kinder
,
T. M.
Wong
, and
R.
Meservey
,
Phys. Rev. Lett.
74
,
3273
(
1995
).
2.
T.
Miyazaki
and
N.
Tezuka
,
J. Magn. Magn. Mater.
139
,
L231
(
1995
).
3.
M.
Bowen
,
V.
Cros
,
F.
Petroff
,
A.
Fert
,
C.
Martínez Boubeta
,
J. L.
Costa-Krämer
,
J. V.
Anguita
,
A.
Cebollada
,
F.
Briones
,
J. M.
De Teresa
,
L.
Morellón
,
M. R.
Ibarra
,
F.
Güell
,
F.
Peiró
, and
A.
Cornet
,
Appl. Phys. Lett.
79
,
1655
(
2001
).
4.
J.
Faure-Vincent
,
C. T. C.
Bellouard
,
E.
Popova
,
M.
Hehn
,
F.
Montaigne
, and
A.
Schuhl
,
Phys. Rev. Lett.
89
,
107206
(
2002
).
5.
J.
Mathon
and
A.
Umerski
,
Phys. Rev. B
63
,
220403
(
2001
).
6.
S.
Ikeda
,
J.
Hayakawa
,
Y.
Ashizawa
,
Y. M.
Lee
,
K.
Miura
,
H.
Hasegawa
,
M.
Tsunoda
,
F.
Matsukura
, and
H.
Ohno
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
082508
(
2008
).
7.
J.
Åkerman
,
Science
308
,
508
(
2005
).
8.
B. N.
Engel
,
J.
Åkerman
,
B.
Butcher
,
R. W.
Dave
,
M.
DeHerrera
,
M.
Durlam
,
G.
Grynkewich
,
J.
Janesky
,
S. V.
Pietambaram
,
N. D.
Rizzo
,
J. M.
Slaughter
,
K.
Smith
,
J. J.
Sun
, and
S.
Tehrani
,
IEEE Trans. Magn.
41
,
132
(
2005
).
9.
C.
Chappert
,
A.
Fert
, and
F. N.
Van Dau
,
Nat. Mater.
6
,
813
(
2007
).
10.
S.
Bhatti
,
R.
Sbiaa
,
A.
Hirohata
,
H.
Ohno
,
S.
Fukami
, and
S. N.
Piramanayagam
,
Mater. Today
20
,
530
(
2017
).
11.
N.
Locatelli
,
V.
Cros
, and
J.
Grollier
,
Nat. Mater.
13
,
11
(
2014
).
12.
S. I.
Kiselev
,
J. C.
Sankey
,
I. N.
Krivorotov
,
N. C.
Emley
,
R. J.
Schoelkopf
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
425
,
380
(
2003
).
13.
W.
Rippard
,
M.
Pufall
,
S.
Kaka
,
S.
Russek
, and
T.
Silva
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
027201
(
2004
).
14.
T.
Chen
,
R. K.
Dumas
,
A.
Eklund
,
P. K.
Muduli
,
A.
Houshang
,
A. A.
Awad
,
P.
Durrenfeld
,
B. G.
Malm
,
A.
Rusu
, and
J.
Åkerman
,
Proc. IEEE
104
,
1919
(
2016
).
15.
M.
Goto
,
Y.
Wakatake
,
U. K.
Oji
,
S.
Miwa
,
N.
Strelkov
,
B.
Dieny
,
H.
Kubota
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
40
(
2019
).
16.
M.
Tarequzzaman
,
T.
Böhnert
,
M.
Decker
,
J. D.
Costa
,
J.
Borme
,
B.
Lacoste
,
E.
Paz
,
A. S.
Jenkins
,
C. H.
Back
,
R.
Ferreira
, and
P. P.
Freitas
,
Commun. Phys.
2
,
20
(
2019
).
17.
J.
Torrejon
,
M.
Riou
,
F. A.
Araujo
,
S.
Tsunegi
,
G.
Khalsa
,
D.
Querlioz
,
P.
Bortolotti
,
V.
Cros
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
S.
Yuasa
,
M. D.
Stiles
, and
J.
Grollier
,
Nature
547
,
428
(
2017
).
18.
M.
Romera
,
P.
Talatchian
,
S.
Tsunegi
,
F.
Abreu Araujo
,
V.
Cros
,
P.
Bortolotti
,
J.
Trastoy
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
S.
Yuasa
,
M.
Ernoult
,
D.
Vodenicarevic
,
T.
Hirtzlin
,
N.
Locatelli
,
D.
Querlioz
, and
J.
Grollier
,
Nature
563
,
230
(
2018
).
19.
S.
Petit
,
C.
Baraduc
,
C.
Thirion
,
U.
Ebels
,
Y.
Liu
,
M.
Li
,
P.
Wang
, and
B.
Dieny
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
077203
(
2007
).
20.
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
,
T.
Nagahama
,
S.
Yuasa
,
K.
Ando
,
H.
Maehara
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
,
N.
Watanabe
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Phys.
4
,
37
(
2008
).
21.
Z.
Li
,
S.
Zhang
,
Z.
Diao
,
Y.
Ding
,
X.
Tang
,
D. M.
Apalkov
,
Z.
Yang
,
K.
Kawabata
, and
Y.
Huai
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
246602
(
2008
).
22.
A. M.
Deac
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
H.
Maehara
,
Y.
Suzuki
,
S.
Yuasa
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
, and
N.
Watanabe
,
Nat. Phys.
4
,
803
(
2008
).
23.
A.
Kalitsov
,
M.
Chshiev
,
I.
Theodonis
,
N.
Kioussis
, and
W. H.
Butler
,
Phys. Rev. B
79
,
174416
(
2009
).
24.
C.
Wang
,
Y.-T.
Cui
,
J.
Sun
,
J.
Katine
,
R.
Buhrman
, and
D.
Ralph
,
Phys. Rev. B
79
,
224416
(
2009
).
25.
P.
Khalili Amiri
,
J. G.
Alzate
,
X. Q.
Cai
,
F.
Ebrahimi
,
Q.
Hu
,
K.
Wong
,
C.
Grèzes
,
H.
Lee
,
G.
Yu
,
X.
Li
,
M.
Akyol
,
Q.
Shao
,
J. A.
Katine
,
J.
Langer
,
B.
Ocker
, and
K. L.
Wang
,
IEEE Trans. Magn.
51
,
1
(
2015
).
26.
W.
Kang
,
Y.
Ran
,
Y.
Zhang
,
W.
Lv
, and
W.
Zhao
,
IEEE Trans. Nanotechnol.
16
,
387
(
2017
).
27.
H.
Maehara
,
H.
Kubota
,
Y.
Suzuki
,
T.
Seki
,
K.
Nishimura
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
A.
Fukushima
,
A. M.
Deac
,
K.
Ando
, and
S.
Yuasa
,
Appl. Phys. Express
6
,
113005
(
2013
).
28.
A.
Slavin
and
V.
Tiberkevich
,
IEEE Trans. Magn.
45
,
1875
(
2009
).
29.
F. B.
Mancoff
,
N. D.
Rizzo
,
B. N.
Engel
, and
S.
Tehrani
,
Nature
437
,
393
(
2005
).
30.
S.
Kaka
,
M. R.
Pufall
,
W. H.
Rippard
,
T. J.
Silva
,
S. E.
Russek
, and
J. A.
Katine
,
Nature
437
,
389
(
2005
).
31.
S.
Sani
,
J.
Persson
,
S. M.
Mohseni
,
Y.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
A.
Eklund
,
G.
Malm
,
M.
Käll
,
A.
Dmitriev
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Commun.
4
,
2731
(
2013
).
32.
A.
Houshang
,
E.
Iacocca
,
P.
Dürrenfeld
,
S. R.
Sani
,
J.
Åkerman
, and
R. K.
Dumas
,
Nat. Nanotechnol.
11
,
280
(
2016
).
33.
A.
Houshang
,
R.
Khymyn
,
M.
Dvornik
,
M.
Haidar
,
S. R.
Etesami
,
R.
Ferreira
,
P. P.
Freitas
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Commun.
9
,
4374
(
2018
).
34.
H.
Maehara
,
H.
Kubota
,
Y.
Suzuki
,
T.
Seki
,
K.
Nishimura
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
A.
Fukushima
,
H.
Arai
,
T.
Taniguchi
,
H.
Imamura
,
K.
Ando
, and
S.
Yuasa
,
Appl. Phys. Express
7
,
023003
(
2014
).
35.
P. K.
Muduli
,
O. G.
Heinonen
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. B
83
,
184410
(
2011
).
36.
M.
Romera
,
E.
Monteblanco
,
F.
Garcia-Sanchez
,
B.
Delaët
,
L. D.
Buda-Prejbeanu
, and
U.
Ebels
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
192405
(
2015
).
37.
A.
Sharma
,
A. A.
Tulapurkar
, and
B.
Muralidharan
,
Phys. Rev. Appl.
8
,
064014
(
2017
).
38.
C.
Fowley
,
V.
Sluka
,
K.
Bernert
,
J.
Lindner
,
J.
Fassbender
,
W. H.
Rippard
,
M. R.
Pufall
,
S. E.
Russek
, and
A. M.
Deac
,
Appl. Phys. Express
7
,
043001
(
2014
).
39.
S. M.
Mohseni
,
S. R.
Sani
,
J.
Persson
,
T. N. A.
Nguyen
,
S.
Chung
,
Y.
Pogoryelov
,
P. K.
Muduli
,
E.
Iacocca
,
A.
Eklund
,
R. K.
Dumas
,
S.
Bonetti
,
A.
Deac
,
M. A.
Hoefer
, and
J.
Akerman
,
Science
339
,
1295
(
2013
).
40.
F.
Macià
,
D.
Backes
, and
A. D.
Kent
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
992
(
2014
).
41.
S.
Chung
,
A.
Eklund
,
E.
Iacocca
,
S. M.
Mohseni
,
S. R.
Sani
,
L.
Bookman
,
M. A.
Hoefer
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Commun.
7
,
11209
(
2016
).
42.
S.
Chung
,
Q. T.
Le
,
M.
Ahlberg
,
A. A.
Awad
,
M.
Weigand
,
I.
Bykova
,
R.
Khymyn
,
M.
Dvornik
,
H.
Mazraati
,
A.
Houshang
,
S.
Jiang
,
T. N. A.
Nguyen
,
E.
Goering
,
G.
Schütz
,
J.
Gräfe
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
217204
(
2018
).
43.
S.
Jiang
,
S.
Chung
,
Q. T.
Le
,
H.
Mazraati
,
A.
Houshang
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Appl.
10
,
054014
(
2018
).
44.
H.
Suhl
,
Phys. Rev.
97
,
555
(
1955
).
45.
A.
Houshang
, “
Synchronization phenomena in spin torque and spin hall nano-oscillators
,” Ph.D. thesis (University of Gothenburg,
2017
).
46.
Z.
Zeng
,
K. H.
Cheung
,
H. W.
Jiang
,
I. N.
Krivorotov
,
J. A.
Katine
,
V.
Tiberkevich
, and
A.
Slavin
,
Phys. Rev. B
82
,
100410
(
2010
).
47.
Y.
Zhou
,
S.
Bonetti
,
C. L.
Zha
, and
J.
Åkerman
,
New J. Phys.
11
,
103028
(
2009
).
48.
W.
Skowroński
,
T.
Stobiecki
,
J.
Wrona
,
G.
Reiss
, and
S. V.
Dijken
,
Appl. Phys. Express
5
,
063005
(
2012
).
49.
T.
Yamamoto
,
T.
Seki
,
T.
Kubota
,
H.
Yako
, and
K.
Takanashi
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
092406
(
2015
).
50.
B.
Fang
,
J.
Feng
,
H.
Gan
,
R.
Malmhall
,
Y.
Huai
,
R.
Xiong
, and
H.
Wei
,
AIP Adv.
6
,
125305
(
2016
).
51.
E.
Kowalska
,
A.
Kákay
,
C.
Fowley
,
V.
Sluka
,
J.
Lindner
,
J.
Fassbender
, and
A. M.
Deac
,
J. Appl. Phys.
125
,
083902
(
2019
).
52.
S.
Zhang
,
P.
Levy
, and
A.
Fert
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
236601
(
2002
).
53.
J. C.
Sankey
,
Y.-T.
Cui
,
J. Z.
Sun
,
J. C.
Slonczewski
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Nat. Phys.
4
,
67
(
2008
).
54.
S.
Petit-Watelot
,
R.
Otxoa
,
M.
Manfrini
,
W.
Van Roy
,
L.
Lagae
,
J.-V.
Kim
, and
T.
Devolder
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
267205
(
2012
).
55.
P.
Guo
,
J.
Feng
,
H.
Wei
,
X.
Han
,
B.
Fang
,
B.
Zhang
, and
Z.
Zeng
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
012402
(
2015
).
56.
X.
Wang
,
J.
Feng
,
P.
Guo
,
H. X.
Wei
,
X. F.
Han
,
B.
Fang
, and
Z. M.
Zeng
,
J. Magn. Magn. Mater.
443
,
239
(
2017
).
57.
R.
Arias
and
D.
Mills
,
Phys. Rev. B
75
,
214404
(
2007
).
58.
G.
Consolo
,
B.
Azzerboni
,
G.
Finocchio
,
L.
Lopez-Diaz
, and
L.
Torres
,
J. Appl. Phys.
101
,
09C108
(
2007
).
59.
S.
Jiang
,
S. R.
Etesami
,
S.
Chung
,
Q. T.
Le
,
A.
Houshang
, and
J.
Åkerman
,
IEEE Magn. Lett.
9
,
3104304
(
2018
).
60.
O. G.
Heinonen
,
S. W.
Stokes
, and
J. Y.
Yi
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
066602
(
2010
).
61.
P. K.
Amiri
and
K. L.
Wang
,
Spin
2
,
1240002
(
2012
).
62.
H.
Kubota
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
S.
Tamaru
,
M.
Konoto
,
T.
Nozaki
,
S.
Ishibashi
,
T.
Saruya
,
S.
Yuasa
,
T.
Taniguchi
,
H.
Arai
, and
H.
Imamura
,
Appl. Phys. Express
6
,
103003
(
2013
).
63.
S.
Jiang
,
R.
Khymyn
,
S.
Chung
,
Q. T.
Le
,
L. H.
Diez
,
A.
Houshang
,
M.
Zahedinejad
,
D.
Ravelosona
, and
J.
Åkerman
, preprint arXiv:1812.08873v1 (
2018
).
64.
A.
Kozioł-Rachwał
,
T.
Nozaki
,
K.
Freindl
,
J.
Korecki
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Sci. Rep.
7
,
5993
(
2017
).
65.
T.
Nozaki
,
A.
Kozioł-Rachwał
,
W.
Skowroński
,
V.
Zayets
,
Y.
Shiota
,
S.
Tamaru
,
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
S.
Yuasa
, and
Y.
Suzuki
,
Phys. Rev. Appl.
5
,
044006
(
2016
).
You do not currently have access to this content.