The reduction in phase noise in electronic systems is of utmost importance in modern communication and signal processing applications and requires an understanding of the underlying physical processes. Here, we systematically study the phase noise in mutually synchronized chains of nano-constriction spin Hall nano-oscillators (SHNOs). We find that longer chains have improved phase noise figures at low offset frequencies (1/f noise), where chains of two and ten mutually synchronized SHNOs have 2.8 and 6.2 dB lower phase noise than single SHNOs. This is close to the theoretical values of 3 and 10 dB, and the deviation is ascribed to process variations between nano-constrictions. However, at higher offset frequencies (thermal noise), the phase noise unexpectedly increases with chain length, which we ascribe to process variations, a higher operating temperature in the long chains at the same drive current and phase delays in the coupling between nano-constrictions.

1.
J. C.
Slonczewski
,
J. Magn. Magn. Mater.
159
,
L1
(
1996
).
2.
M.
Tsoi
,
A.
Jansen
,
J.
Bass
,
W.-C.
Chiang
,
V.
Tsoi
, and
P.
Wyder
,
Nature
406
,
46
(
2000
).
3.
S. I.
Kiselev
,
J.
Sankey
,
I.
Krivorotov
,
N.
Emley
,
R.
Schoelkopf
,
R.
Buhrman
, and
D.
Ralph
,
Nature
425
,
380
(
2003
).
4.
W. H.
Rippard
,
M. R.
Pufall
,
S.
Kaka
,
T. J.
Silva
, and
S. E.
Russek
,
Phys. Rev. B
70
,
100406
(
2004
).
5.
S.
Bonetti
,
P.
Muduli
,
F.
Mancoff
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
102507
(
2009
).
6.
M.
Pufall
,
W.
Rippard
,
S.
Kaka
,
T. J.
Silva
, and
S. E.
Russek
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
082506
(
2005
).
7.
R.
Sharma
,
P.
Dürrenfeld
,
M.
Ranjbar
,
R.
Dumas
,
J.
Åkerman
, and
P.
Muduli
,
IEEE Trans. Magn.
51
,
1401304
(
2015
).
8.
A.
Litvinenko
,
P.
Sethi
,
C.
Murapaka
,
A.
Jenkins
,
V.
Cros
,
P.
Bortolotti
,
R.
Ferreira
,
B.
Dieny
, and
U.
Ebels
,
Phys. Rev. Appl.
16
,
024048
(
2021
).
9.
A.
Litvinenko
,
V.
Iurchuk
,
P.
Sethi
,
S.
Louis
,
V.
Tyberkevych
,
J.
Li
,
A.
Jenkins
,
R.
Ferreira
,
B.
Dieny
,
A.
Slavin
et al,
Nano Lett.
20
,
6104
(
2020
).
10.
A.
Litvinenko
,
A.
Sidi El Valli
,
V.
Iurchuk
,
S.
Louis
,
V.
Tyberkevych
,
B.
Dieny
,
A. N.
Slavin
, and
U.
Ebels
,
Nano Lett.
22
,
1874
(
2022
).
11.
V. E.
Demidov
,
S.
Urazhdin
,
H.
Ulrichs
,
V.
Tiberkevich
,
A.
Slavin
,
D.
Baither
,
G.
Schmitz
, and
S. O.
Demokritov
,
Nat. Mater.
11
,
1028
(
2012
).
12.
V.
Demidov
,
S.
Urazhdin
,
A.
Zholud
,
A.
Sadovnikov
, and
S.
Demokritov
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
172410
(
2014
).
13.
P.
Dürrenfeld
,
A. A.
Awad
,
A.
Houshang
,
R. K.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Nanoscale
9
,
1285
(
2017
).
14.
A. A.
Awad
,
A.
Houshang
,
M.
Zahedinejad
,
R.
Khymyn
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
116
,
232401
(
2020
).
15.
N.
Behera
,
H.
Fulara
,
L.
Bainsla
,
A.
Kumar
,
M.
Zahedinejad
,
A.
Houshang
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Appl.
18
,
024017
(
2022
).
16.
M.
Zahedinejad
,
H.
Mazraati
,
H.
Fulara
,
J.
Yue
,
S.
Jiang
,
A.
Awad
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
112
,
132404
(
2018
).
17.
H.
Fulara
,
M.
Zahedinejad
,
R.
Khymyn
,
A.
Awad
,
S.
Muralidhar
,
M.
Dvornik
, and
J.
Åkerman
,
Sci. Adv.
5
,
eaax8467
(
2019
).
18.
H.
Fulara
,
M.
Zahedinejad
,
R.
Khymyn
,
M.
Dvornik
,
S.
Fukami
,
S.
Kanai
,
H.
Ohno
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Commun.
11
(
1
),
4006
(
2020
).
19.
M.
Haidar
,
A. A.
Awad
,
M.
Dvornik
,
R.
Khymyn
,
A.
Houshang
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Commun.
10
,
2362
(
2019
).
20.
V. H.
González
,
R.
Khymyn
,
H.
Fulara
,
A. A.
Awad
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
121
,
252404
(
2022
).
21.
H.
Mazraati
,
M.
Zahedinejad
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
092401
(
2018
).
22.
D.
Tiwari
,
N.
Behera
,
A.
Kumar
,
P.
Dürrenfeld
,
S.
Chaudhary
,
D.
Pandya
,
J.
Åkerman
, and
P.
Muduli
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
232407
(
2017
).
23.
A.
Kumar
,
R.
Bansal
,
S.
Chaudhary
, and
P. K.
Muduli
,
Phys. Rev. B
98
,
104403
(
2018
).
24.
R.
Bansal
,
G.
Nirala
,
A.
Kumar
,
S.
Chaudhary
, and
P.
Muduli
,
Spin
8
,
1850018
(
2018
).
25.
H.
Mazraati
,
S.
Chung
,
A.
Houshang
,
M.
Dvornik
,
L.
Piazza
,
F.
Qejvanaj
,
S.
Jiang
,
T. Q.
Le
,
J.
Weissenrieder
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
242402
(
2016
).
26.
J.
Sinova
,
S. O.
Valenzuela
,
J.
Wunderlich
,
C. H.
Back
, and
T.
Jungwirth
,
Rev. Mod. Phys.
87
,
1213
(
2015
).
27.
A.
Awad
,
P.
Dürrenfeld
,
A.
Houshang
,
M.
Dvornik
,
E.
Iacocca
,
R.
Dumas
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Phys.
13
,
292
(
2017
).
28.
A.
Kumar
,
H.
Fulara
,
R.
Khymyn
,
M.
Zahedinejad
,
M.
Rajabali
,
X.
Zhao
,
N.
Behera
,
A.
Houshang
,
A. A.
Awad
, and
J.
Åkerman
, arXiv:2301.03859 (
2023
).
29.
G.
Csaba
and
W.
Porod
,
Appl. Phys. Rev.
7
,
011302
(
2020
).
30.
A.
Houshang
,
M.
Zahedinejad
,
S.
Muralidhar
,
J.
Checiński
,
R.
Khymyn
,
M.
Rajabali
,
H.
Fulara
,
A. A.
Awad
,
M.
Dvornik
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Appl.
17
,
014003
(
2022
).
31.
D. I.
Albertsson
,
M.
Zahedinejad
,
A.
Houshang
,
R.
Khymyn
,
J.
Åkerman
, and
A.
Rusu
,
Appl. Phys. Lett.
118
,
112404
(
2021
).
32.
J.
Torrejon
,
M.
Riou
,
F.
Abreu 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
).
33.
M.
Romera
,
P.
Talatchian
,
S.
Tsunegi
,
F.
Abreu Araujo
,
V.
Cros
,
P.
Bortolotti
,
J.
Trastoy
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
et al,
Nature
563
,
230
(
2018
).
34.
M.
Zahedinejad
,
A. A.
Awad
,
S.
Muralidhar
,
R.
Khymyn
,
H.
Fulara
,
H.
Mazraati
,
M.
Dvornik
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Nanotechnol.
15
,
47
(
2020
).
35.
M.
Zahedinejad
,
H.
Fulara
,
R.
Khymyn
,
A.
Houshang
,
M.
Dvornik
,
S.
Fukami
,
S.
Kanai
,
H.
Ohno
, and
J.
Åkerman
,
Nat. Mater.
21
,
81
(
2022
).
36.
M.
Schneider
,
W.
Rippard
,
M.
Pufall
,
T.
Cecil
,
T.
Silva
, and
S.
Russek
,
Phys. Rev. B
80
,
144412
(
2009
).
37.
T. J.
Silva
and
M. W.
Keller
,
IEEE Trans. Magn.
46
,
3555
(
2010
).
38.
M. W.
Keller
,
M. R.
Pufall
,
W. H.
Rippard
, and
T. J.
Silva
,
Phys. Rev. B
82
,
054416
(
2010
).
39.
A.
Eklund
,
S.
Bonetti
,
S. R.
Sani
,
S.
Majid Mohseni
,
J.
Persson
,
S.
Chung
,
S.
Amir Hossein Banuazizi
,
E.
Iacocca
,
M.
Östling
,
J.
Åkerman
et al,
Appl. Phys. Lett.
104
,
092405
(
2014
).
40.
R.
Sharma
,
P.
Dürrenfeld
,
E.
Iacocca
,
O.
Heinonen
,
J.
Åkerman
, and
P.
Muduli
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
132404
(
2014
).
41.
R.
Lebrun
,
A.
Jenkins
,
A.
Dussaux
,
N.
Locatelli
,
S.
Tsunegi
,
E.
Grimaldi
,
H.
Kubota
,
P.
Bortolotti
,
K.
Yakushiji
,
J.
Grollier
et al,
Phys. Rev. Lett.
115
,
017201
(
2015
).
42.
S.
Wittrock
,
S.
Tsunegi
,
K.
Yakushiji
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
P.
Bortolotti
,
U.
Ebels
,
S.
Yuasa
,
G.
Cibiel
,
S.
Galliou
et al,
Phys. Rev. B
99
,
235135
(
2019
).
43.
S.
Wittrock
,
M.
Kreißig
,
B.
Lacoste
,
A.
Litvinenko
,
P.
Talatchian
,
F.
Protze
,
F.
Ellinger
,
R.
Ferreira
,
R.
Lebrun
,
P.
Bortolotti
et al, arXiv:2110.13073 (
2021
).
44.
M.
Rajabali
,
R.
Ovcharov
,
R.
Khymyn
,
H.
Fulara
,
A.
Kumar
,
A.
Litvinenko
,
M.
Zahedinejad
,
A.
Houshang
,
A. A.
Awad
, and
J.
Åkerman
,
Phys. Rev. Appl.
19
,
034070
(
2023
).
45.
A.
Kumar
,
M.
Rajabali
,
V. H.
González
,
M.
Zahedinejad
,
A.
Houshang
, and
J.
Åkerman
,
Nanoscale
14
,
1432
(
2022
).
46.
D. M.
Pozar
,
Microwave and RF Design of Wireless Systems
(
John Wiley & Sons
,
2000
).
47.
L. R.
Rabiner
and
B.
Gold
,
Theory and Application of Digital Signal Processing
(
Prentice-Hall
,
Englewood Cliffs
,
1975
).
48.
B.
Boashash
,
Proc. IEEE
80
,
520
(
1992
).
49.
M.
Feldman
,
Hilbert Transform Applications in Mechanical Vibration
(
John Wiley & Sons
,
2011
).
50.
E.
Rubiola
and
F.
Vernotte
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
(published online) (2023).
51.
H.-C.
Chang
,
X.
Cao
,
U.
Mishra
, and
R.
York
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
45
,
604
(
1997
).
52.
A.
Pikovsky
,
M.
Rosenblum
, and
J.
Kurths
,
Synchronization: A Universal Concept in Nonlinear Sciences
, Cambridge Nonlinear Science Series (
Cambridge University Press
,
2001
).
53.
M.
Zhang
,
S.
Shah
,
J.
Cardenas
, and
M.
Lipson
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
163902
(
2015
).
54.
S.
Muralidhar
,
A.
Houshang
,
A.
Alemán
,
R.
Khymyn
,
A. A.
Awad
, and
J.
Åkerman
,
Appl. Phys. Lett.
120
,
262401
(
2022
).
55.
X.
Huang
,
F.
Tan
,
W.
Wei
, and
W.
Fu
, in
IEEE International Frequency Control Symposium Joint with the 21st European Frequency and Time Forum
(
IEEE
,
2007
), pp.
238
241
.
You do not currently have access to this content.