Лаборатория «Спин-фотоника»

Научные результаты:

• Была построена теория функционирования спин-трансферных осцилляторов, детекторов, эмиттеров, резонаторов и вентилей на основе антиферромагнитных диэлектриков, работающих в терагерцевом частотном диапазоне. А именно:

1. Было проведено изучение переноса, преобразования спинового тока и управление им в антиферромагнетиках (АФМ). Было проведено исследование переноса спинового момента в диэлектрических АФМ. Была получена теоретическая модель, описывающая преобразование спинового тока в тонком слое АФМ диэлектрика с двухосной анизотропией, учитывающая различные факторы: внутриподрешеточный обмен, магнитную анизотропию, упругое взаимодействие, спиновый ток, Зеемановское поле, электромагнитное поле импульса возбуждения. Путём последовательного рассмотрения пьезоэлектрического эффекта в гетероструктуре пьезоэлектрик-антиферромагнетик при наведении упругих деформаций в слое антиферромагнетика через деформации в слое пьезоэлектрика и магнитоупругого эффекта было установлено, что электрическое поле в слое пьезоэлектрика может быть использовано для наведения полей магнитной анизотропии и изменения частоты магнитного резонанса и изменения критического тока возбуждения автоколебаний. Данный результат был продемонстрирован на примере гетероструктуры Pt/NiO/PZT-5H.
2. Для реализации перестраиваемого по частоте детектора ТГц-колебаний на основе одноосных кристаллов антиферромагнетиков поляризация падающего излучения должна быть круговой или эллиптической. Линейно поляризованное излучение для одноосного АФМ может быть выпрямлено при приложении внешнего постоянного магнитного поля. При перестройке частоты детектора внешним постоянным полем происходит снятие вырождения нормальных мод колебаний АФМ с рождением двух частот с левой и правой круговыми поляризациями. Круговая поляризация внешнего переменного электромагнитного поля обеспечивает максимальное значение выпрямленного напряжения по сравнению с эллиптической и линейной поляризациями.
3. Были разработаны модели преобразователей спинового тока, эмиттеров и вентилей спинового тока на основе антиферромагнитных диэлектриков. Были выведены уравнения, описывающие динамику намагниченности подрешёток антиферромагнетика с учётом вклада от электрического тока в слое платины, статичных механических напряжений в слое антиферромагнетика и деформаций, вызванных электрическим полем в слое пьезоэлектрика. На основе выведенных уравнений были найдены два решения, описывающие затухающие колебания и автоколебания намагниченности. Найдены условия реализации этих решений, а также зависимости частоты и амплитуды колебаний от величины электрического тока в платине и электрического поля на пьезоэлектрике. Получены графические зависимости частоты магнитных колебаний в антиферромагнетике для материальных параметров антиферромагнитного NiO и пьезокерамики PZT-5H при различных величинах внешних электрических напряжений, подаваемых на пьезоэлектрик. Было показано, что существуют области докритических и сверхкритических токов: при докритических токах система находится в состоянии затухающих колебаний, при сверхкритических токах реализуются автоколебания.
4. Была исследована модель возбуждения нелинейных спиновых колебаний терагерцовых частот в резонаторе, построенном на основе гетероструктур «скошенный антиферромагнетик-тяжелый металл». Показано, что с ростом амплитуды импульса накачки величина отклика спиновой системы линейно растет на основной (резонансной) антиферромагнитной моде и квадратично на второй гармонике. Была показана возможность управления переключением намагниченностей подрешеток в антиферромагнетике со слабым ферромагнетизмом (взаимодействием Дзялошинского-Мория, для примера - гематит) терагерцовыми импульсами электромагнитного поля.

• В ходе экспериментальных исследований были получены следующие научные результаты:

1. В результате проведенных исследований экспериментально изучены квазистатические процессы перемагничивания магнитоупругих нанополосок параболической формы. Показано, что нарушение симметрии устойчивых состояний намагниченности в нанополоске может быть реализовано с помощью статического магнитного поля, приложенного перпендикулярно легкой оси ферромагнетика. При этом возможно разбиение нанополоски параболической формы на два домена; доменная граница в равновесном состоянии находится в центре нанополоски, в узкой ее части. Дальнейшее изменение состояний намагниченности допускает их манипуляцию (например, передвижение доменной границы) посредством однородных механических воздействий, индуцированных приложением электрического поля к пьезоэлектрической подложке. Эксперименты по микро и наноструктурированию образцов для использования их в качестве основы для элементов микро и наномагноники были выполнены на пленках CoPt толщиной 8 нм. Особенностью пленок является наличие перпендикулярной магнитной анизотропии и поля коэрцитивности в несколько сот эрстед, что позволяет создавать в пленках реконфигурируемые доменные структуры, устойчивые в отсутствии внешнего магнитного поля. Исследовалась возможность использования импульсной силовой нанолитографии зондом атомно-силового микроскопа (АСМ) для создания наноразмерных областей с повышенной плотностью протекающего тока. Для проведения экспериментов были предварительно подготовлены (с помощью фотолитографии и последующего ионного травления) образцы в виде холловских мостиков с шириной канала 5 мкм. Далее зондом АСМ были выполнены необходимые разрезы.
2. Впервые наблюдалась акустическая генерация параметрических спиновых волн - АСВ в резонаторах объемных акустических волн, содержащих пленки ЖИГ в контакте с пленкой Pt. Детектирование параметрических ЖИГ осуществлялось с помощью создаваемой ими спиновой накачки и ISHE. Электрическое детектирование этим методом параметрических АСВ, насколько известно, ранее обсуждалось только теоретически. Эффективность генерации АСВ в условиях пьезоэлектрического возбуждения высокодобротного гибридного резонатора –HBAR –продемонстрированная также и в линейном режиме, в данном случае проявляется в низких значениях пороговых мощностей ~ 0.1мВт. Обнаружен ряд особенностей в поведении напряжения параметрической спиновой накачки в магнитном поле, которые согласуются с различными схемами параметрического возбуждения в зависимости от расположения дисперсионных диаграмм относительно резонансной частоты накачки.
3. Была разработана экспериментальная методика исследования наносекундных и субнаносекундных процессов в магнитных микро- и наноструктурах с помощью поляризационной микроскопии и эффекта Фарадея. Методика применима для исследования процессов в магнитных диэлектриках в импульсных магнитных полях с длительностью импульсов от 2 нс до 2 мкс. В качестве задающего генератора использован генератор задержек и импульсов с 4-мя независимыми каналами импульсов на выходе генератора и 8-ю каналами задержек. Это позволяет реализовать разнообразные условия эксперимента как по воздействию на исследуемый образец, так и по синхронизации работы элементов установки. Возможно исследование поведения магнитной системы образца под действием (а) одного импульса магнитного поля, (б) последовательности коротких импульсов (от 2 нс), следующих через короткие интервалы времени (от 1 нс), и (в) совмещения длинного импульса поля с одновременно действующими короткими импульсами поля. Вариант (а) относится к общепринятой методике исследования магнитных материалов, варианты (б) и (в) планируется использовать для поиска условий переключения состояния намагниченности микроструктур с минимальными затратами энергии. Для обеспечения условий исследования субнаносекундных процессов использованы модули-обострители импульсов со временем нарастания импульса менее 100 пс. При таких временах нарастания/длительности импульсов для создания магнитных полей использованы малоиндуктивные устройства формирования магнитного поля – одновитковые плоские катушки, проведено моделирование создаваемых ими магнитных полей. Неоднородность создаваемых магнитных полей при исследовании микроструктур составляет ~5%. Для получения импульсов длительностью более 50 нс и амплитудой до 200 Э использован усилитель со временем нарастания 5 нс. Для размагничивания исследуемых микроструктур в промежутках между импульсами поля предусмотрен блок формирования радиоимпульсов с убывающей амплитудой. Разработана и создана система регистрации процессов изменения состояния намагниченности в микро- и наноструктурах магнитооптическим методом. Система регистрации сигналов перемагничивания включает фотоэлектронный умножитель с собственным временем нарастания 570 пс, стробоскопический осциллограф с полосой пропускания 15 ГГц, что обеспечивает временное разрешение при регистрации сигналов перемагничивания не хуже 1 нс. Реализована возможность прямой регистрации динамических доменов с помощью поляризационной микроскопии с пространственным и временным разрешением 300 нм и 5 нс, соответственно. В качестве источника света использован импульсный лазер с длиной волны 527 нм и длительностью импульса на полувысоте менее 5 нс. Обеспечена синхронизация работы блоков формирования перемагничивающих импульсов и размагничивающих радиоимпульсов, модулятора ФЭУ, стробоскопического осциллографа, импульсного лазера. Это позволило провести отработку методики исследования динамических процессов в магнитных диэлектриках – пленках ферритов со структурой граната толщиной в несколько микрометров. Исследованы процессы перемагничивания микроструктур в зависимости от амплитуды импульсов поля. Проведено исследование динамических свойств доменных границ (скорости, подвижности), что необходимо для обоснования возможностей применения доменных границ в устройствах магноники в качестве основы перспективных реконфигурируемых нановолноводов спиновых волн.
4. Была проведена серия экспериментов по сверхбыстрому движению доменных стенок в ферримагнетиках вблизи точек компенсации углового и спинового моментов. Особый интерес для изучения представлял диапазон температур вокруг точек магнитной и спиновой компенсации, точно уравновешивающий как магнитный момент, так и угловой момент системы и приводящий к особому характеру магнитного переключения при движении доменной стенки. Была получена температурно-зависимая динамика доменной стенки в температурном диапазоне, охватывающем как точки компенсации углового момента, так и намагниченности в пленке граната, и достигающем температуры Кюри. Продемонстрирована резкая разница в подвижности доменной стенки и максимально достижимой скорости в окрестностях этих двух точек компенсации. Была найдена высокая подвижность доменной стенки в слабых приложенных магнитных полях.

• Была развита нейроморфно-интерференционная парадигма вычислений и обработки сигналов, включающая одновременное использование возбуждаемых током АФМ осцилляторов терагерцового диапазона и АФМ шин (система АФМ волноводов). Предложена концепция сверхбыстрого нейроморфного вычислительного процессора с оптическим и электрическим управлением на основе гетероструктуры антиферромагнитный/тяжелый металл (АФМ/ТМ). Искусственные нейроны на основе АФМ/ГМ возбуждаются короткими импульсами терагерцового диапазона, запуская прецессию в АФМ. Электрический ток смещения в слое ТМ можно использовать для изменения резонансной частоты прецессии. Преобразование прецессии намагниченности в электрический ток в ТМ-слое происходит за счет обратного спинового эффекта Холла. Таким образом, была предложена модель нейроморфного процессора, состоящего из возбуждающих искусственных нейронов на основе АФМ – осцилляторов и обрабатывающих нейронов – детекторов. Было показано, что использование оптического возбуждения может значительно увеличить скорость обработки нейроморфных вычислений при низком энергопотреблении. Были исследованы примеры реализации простейших логических операций (ИЛИ, И).

• Были разработаны прототипы магнонных волноводных и логических устройств для нейроморфной магнонной обработки сигналов. Были предложены прототипы магнонных волноводов и логических устройств спиновых волн на основе доменных стенок, а также методы изменения положения доменных стенок. В частности, поскольку динамическое взаимодействие акустических и магнитных систем представляет большой интерес в настоящее время, путем подбора угла падения, амплитуды и частоты акустической поперечной волны, можно управлять движением доменной стенки. Было установлено, что при достаточно больших амплитудах сдвигового смещения скорость вынужденного движения ДГ может достигать значительных долей скорости звука. Было показано, что это происходит из-за определенных условий резонанса, зависящих от частоты волны, угла ее падения и амплитуды сдвигового смещения, что приводит к полному отражению волны и максимальному воздействию. Наиболее интересно, что при взаимодействии упругой и магнитной подсистем проявляется сильная нелинейность, выражающаяся в отрицательном наклоне резонансного пика отражения и характерной для нелинейных систем s-образной зависимости скорости доменной границы от амплитуды сдвигового смещения.

Образование и переподготовка кадров:

• Ежегодно проводится научный семинар-воркшоп «Спин-фотоника» на базе ИРЭ РАН.

• Сотрудниками лаборатории были разработаны и внедрены в НИУ ВШЭ дисциплины «Основы магнетизма» и «Наномагнетизм и спинтроника» для студентов 3 курса бакалавриата, а также специализированный практикум для студентов бакалавриата и магистратуры по спин-фотонике.

Сотрудничество:

Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет), Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского, Институт физики микроструктур Российской академии наук, Дальневосточный федеральный университет (Россия): совместные научные исследования.

Также ведется активное сотрудничество с Научно-практическим центром Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (Республика Беларусь).