Научные результаты:
- Впервые разработаны топологии магнонных сетей, представляющие собой систему планарных связанных магнитных микро- и наноразмерных структур, которые играют ключевую роль при создании функциональных устройств нового поколения для информационно-телекоммуникационных систем микроволнового диапазона на принципах магноники и спинтроники.
- Показано, что использование многослойных антиферромагнитных (АФМ) структур позволяет реализовать режимы генерации, кодирования, распространения и обработки информационного сигнала на основе квантов спиновых волн — АФМ магнонов.
- Показано, что развитие радиоэлектронной базы и разработка инфотелекоммуникационых модулей на основе подходов магнонной стрейнтроники на основе магнитных и магнитоэлектрических материалов позволяет радикально снизить энергопотребление при проведении операций обработки сигналов. Данный подход использует методы деформационной инженерии и физические эффекты, наведённые механическими деформациями в твёрдых телах для реализации нового поколения устройств информационных, сенсорных и энергосберегающих технологий и сверхвысокочастотной техники.
- Развиты методы передачи информационных сигналов на основе межсоединений на принципах квантовой и резонансной опто-магноники. Показано, что увеличение эффективности возбуждения кванта спиновой подсистемы электромагнитным фотоном позволяет осуществлять интеграцию научных направлений магноники и фотоники для создания прототипов управляемых модулей межсоединения в архитектурах магнонных систем на основе наноструктурированных магнитных пленок.
- Предложены и разработаны элементы функциональной базы информационно-телекоммуникационных систем на основе принципов трехмерной магноники. Данный подход использует методы формирования трехмерных межслойных и межэлементных связей в распределенных системах для реализации перспективных устройств с высокой плотностью функциональных элементов и энергетически эффективных вычислений.
- Показано, что на основе концепции спин-волновых вычислений можно реализовать функциональные блоки вычислительных радиоэлектронных устройств для реализации алгоритмов нейроморфных вычислений и магнонной логики. Упомянутые устройства содержат слои ферро- и антиферромагнетиков для реализации на их основе активных и пассивных устройств обработки сигналов на принципах нейроморфной магнонной стрейнтроники, таких как: магнонные логические ячейки на основе элементов нечеткой логики, нейроморфные системы мультиплексирования и демультиплексирования, пространственно-частотные делители и ответвители информационных сигналов в СВЧ и терагерцевом диапазоне длин волн.
- На основе исследования характеристик движения магнитных вихрей в сверхтонких пленках показана возможность создания устройств для хранения и передачи информации на основе racetrack скирмионных технологий, более эффективных, чем современные жесткие диски.
Внедрение результатов исследования:
- Аналитические методы решения дифференциальных уравнений и систем уравнений, методы теории волновых уравнений и метод теории возмущений используются для проведения расчетов параметров распространения и эффективности управления характеристиками спин-волновых возбуждений с учетом кристаллографической, магнитостатической и упругой энергий в градиентных магнитных микроструктурах.
- Проводятся исследования частотного диапазона возбуждения, фазовых и амплитудных характеристик и их зависимостей от упругих деформаций исследуемых структур. Такой подход позволяет построить модели, а также теоретически описывать процессы в нанометровых структурах при изменении геометрических параметров структур, градиентов внутренних магнитных полей и исследовать возможные методы управления динамикой спин-волновых возбуждений.
- В рамках решения статических задач о распределении внутренних статических магнитных полей (и их градиентов) в упругодеформируемых магнитных микроструктурах заданной топологии используется метод конечных элементов (МКЭ). Этот метод находит широкое применение при решении задач численного моделирования статических и динамических свойств магнитных структур и пьезоэлектриков.
- Решения динамических задач о возбуждении, распространении, взаимодействии и управлении характеристиками спиновых волн в упругодеформируемых градиентных магнитных микроструктурах проводится микромагнитным моделированием на основе метода конечных разностей во временной области для уравнения Ландау-Лифшица с эффективным магнитным полем, учитывающим упругую и магнитоупругую энергию, и уравнение движения упругой среды.
- Метод лазерного скрайбирования используется для текстурирования изначально однородных магнитных пленок с целью формирования заданных градиентов внутренних статических магнитных полей. Для создания градиентных микроструктур с микронными и субмикронными топологическими нормами используются магнитные пленки с характерными толщинами пленки 0.1-10 мкм.
- Для создания упруго-деформируемых градиентных микроструктур используются структуры типа магнитная пленка-пьезоэлектрик с различными постоянными магнитного и упругого взаимодействия. Для реализации указанных структур используется метод магнетронного напыления пъезоэлектрических слоев на поверхность магнитных слоев через интерфейсные слои.
- Радиофизические методы исследования характеристик спиновых волн в структурах в микроволновом диапазоне направлены на изучение влияния магнитоупругих эффектов на спектр и амплитудно-фазовые характеристики когерентных спиновых волн в градиентных магнитных микроструктурах.
- Оптические методы исследования динамики спин-волновых возбуждений в упруго-деформируемых магнитных микроструктурах основываются на эффекте мандельштам-бриллюэновского рассеивания света (МБРС, Brillouin Light Scattering, BLS). С помощью МБРС проводятся экспериментальные исследования пространственной и временной динамики спин-волновых возбуждений в исследуемых структурах в микроволновом диапазоне радиоволн в зависимости от топологии, градиентов и упругих деформаций.
- Метод магнетронного распыления используется для формирования тонких (толщина менее 200 нм) металлических слоев на пьезокерамике и плёнках ЖИГ для подвода электрической разности потенциалов и пайки. Реактивное и ВЧ-магнетронное распыление используется для формирования изолирующих слоёв на плёнках ЖИГ.
Образование и переподготовка кадров:
- Издано учебное пособие «СВЧ-фотонные кристаллы – новая разновидность периодических структур в радиоэлектронике» (Авторы: Д. А. Усанов, С. А. Никитов, А. В. Скрипаль, Д. В. Пономарев).
- Подготовлены и защищены 1 докторская и 1 кандидатская диссертации.
- В 2014 году проведена первая научная конференция по бриллюэновской спектроскопии, ставшая впоследствии регулярным международным мероприятием.
Организационные и инфраструктурные преобразования:
- Создана научно-исследовательская группа по направлению «Магнонные кристаллы», а также уникальный комплекс бриллюэновской спектроскопии (Brillouin Light Scattering, BLS), основанный на эффекте мандельштам-бриллюэновского рассеяния света на спиновых волнах. С помощью комплекса BLS будет проводиться экспериментальное исследование пространственной динамики спиновых волн в исследуемых структурах в микроволновом и терагерцовом диапазоне.
- Оборудована чистая комната класса ISO 6 и система вакуумного магнетронного напыления VSM-100 ADVAVAC Surface Technologies с комплектом мишеней различных металлов, включая платиновую мишень, и система плазменной обработки (очистки) ATTO II Diener Electronic GmbH. Оборудование будет использоваться для изготовления планарных массивов ферромагнитных структур с микронными и субмикронными топологическими нормами.
Другие результаты:
Три сотрудника лаборатории получили Премию Правительства Москвы в области науки и техники (по радиоэлектронике) для молодых ученых.
Разработка «Компьютерное моделирование магнитной динамики в приборах и устройствах спинтроники и терагерцевой спин-волновой электроники».
Сотрудничество:
Международная ассоциированная лаборатория нелинейной магнитоакустики конденсированных сред (Франция), Институт Макса Планка коллоидов и границ раздела фаз (Германия), Национальная физическая лаборатория Великобритании, Университет Лидса, Университет Глазго, Department of Physics, Clarendon Laboratory, Оксфордский университет (Великобритания), Swiss Light Source, Институт Пауля Шеррера (Швейцария), Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Институт физики микроструктур Российской академии наук (Россия), Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (Республика Беларусь).
