КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

---

Номер 18-72-10118

НазваниеГибридные системы сверхпроводник-ферромагнетик как ключевой элемент нейросетевых и квантовых вычислений

РуководительСтоляров Василий Сергеевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Московский физико-технический институт (национальный исследовательский университет)", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

07.2021 - 06.2023

Конкурс Конкурс на продление сроков выполнения проектов, поддержанных грантами Российского научного фонда по мероприятию «Проведение исследований научными группами под руководством молодых ученых» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными (30).

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-209 - Низкие температуры и сверхпроводимость

Ключевые словаИскусственный интеллект, нейроны, синапсы, сверхпроводимость, эффект близости, эффект Джозефсона, СФ структуры, сверхпроводящие детекторы, сканирующая зондовая микроскопия/спектроскопия

Код ГРНТИ29.19.29

СтатусУспешно завершен

---

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

---

Аннотация
Для прогресса в области высокопроизводительных вычислений и искусственного интеллекта сегодня требуется улучшение энергоэффективности и плотности интеграции существующих схем, что возможно реализовать с применением новых физических эффектов в гибридных системах (где сосуществуют электронные коллективы с различными “порядками”). Наиболее перспективным направлением, отвечающим этим задачам, представляется использование сверхпроводящих и магнитных материалов. Традиционно в сверхпроводниковой логике и памяти информация ассоциирована с квантом магнитного потока, что, во-первых, ограничивает степень интеграции (ячейка должна содержать в себе квант потока), а во-вторых, обусловливает локализацию информации, что затрудняет физическую реализацию алгоритмов распараллеливания обработки информации. Эти ограничения приводят к низкой функциональной плотности существующих сверхпроводниковых схем и затрудняют разработку цепей на базе неклассических принципов обработки информации, таких как глубокие нейросети, являющиеся ключевыми компонентами в создании искусственного интеллекта. Примером реализации подобных устройств могут служить работы последних лет, в том числе и с участием авторов из коллектива заявителей: Schneider et al., Sci. Adv. 2018;4: e1701329 26 January (2018); Bakurskiy et al., Beilstein J. Nanotech. 11 (2020). Решением обозначенной проблемы является предлагаемое в настоящем проекте исследование эффектов, возникающих при сосуществовании магнетизма и сверхпроводимости на нанометровых масштабах, например, в новых гибридных структурах сверхпроводник-ферромагнетик и новых материалах, таких как ферромагнитный материал/сверхпроводник, а также исследование сильно-неупорядоченных сверхпроводников. Представляется, что разработка принципов функционирования базовых элементов вычислительных схем на базе изучаемых эффектов в гибридных системах сверхпроводник/магнетик позволит значительно улучшить параметры существующих устройств и продвинуться на пути создания глубоких сверхпроводниковых нейросетей, не уступающих биологическим нейросетям по энергоэффективности, и значительно превосходящих их по производительности. Ранее, при реализации проекта была успешно продемонстрирована актуальность изучения различных гибридных систем сверхпроводник/ферромагнетик для реализации перспективных нейроморфных устройств предложенных в опубликованных участникам Проекта 2018 работах. Также, один из фокусов проекта был направлен на исследования свойств новых сверхпроводников на основе соединения EuFeAs. Как показали наши исследования, ферромагнитные свойства сверхпроводящих ферромагнетиков нетривиальны. В действительности, на настоящий момент не сформировано полного понимания типа и природы спинового упорядочения в таких системах. В зависимости от состава примесей, соединения на основе EuFeAs могут характеризоваться ферромагнитным, антиферромагнитным, и даже геликоидальным типом спинового упорядочения. Роль сверхпроводимости при формировании спинового упорядочения также не до конца ясна. В рамках Проекта 2021 планируется продолжить исследование гибридных, тонкопленочных образцов приготовленных методами магнетронного напыления, планируется исследование сегментированных нанопроводов содержащих магнитные вставки и монокристаллических кристаллов ферромагнитных сверхпроводников на основе EuFeAs. В частности будут экспериментально изучены магнитные и электронно-транспортные свойства с использованием различных экспериментальных и теоретических методов. Проект привнесет заметный вклад в изучение новых систем сверхпроводник/ферромагнетик, а также в понимание природы сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма, откроет перспективы для применений ферромагнитных сверхпроводников в сверхпроводящей электронике, спинтронике, магнонике и нейроморфных системах, где крайне велика потребность в компактных и энергоэффективных перестраиваемых элементах “с памятью”. Мы ожидаем, что полученные в рамках проекта результаты могут быть использованы и при создании “тихих” сверхпроводниковых кубитов с пи-контактами, и комплексных со-процессоров в коммуникационных системах, где для обработки сигнала (выделения ключевых паттернов) используются нейросети с быстрым “квантовым” обучением.

Ожидаемые результаты
В рамках проекта 2021 мы планируем продолжить разработку методов и подходов к созданию компактных сверхпроводящих нейронов и синапсов, а также искусственных нейросетей на их основе на самом высоком мировом уровне. Значимость обусловлена возможностью реализации нейроморфных вычислений на новой элементной базе, которая обещает значительно повысить эффективность решения некоторых задач экономики и социальной сферы, например, задачи восприятия и задачи принятия решений. Достижение практического результата проекта невозможно без решения ряда фундаментальных проблем, связанных с сосуществованием в коллективах носителей заряда сверхпроводящих корреляций, обеспечивающих реализацию быстрых и энергоэффективных операций, и корреляций ферромагнитных, отвечающих за долговременную “память состояний” в системах. Для решения этих фундаментальных проблем необходимо исследование новых материалов и структур, которое требует применения принципиально новой технологической и экспериментальной базы, которая позволяет создавать и изучать необычные локальные квантовые свойства на нанометровом и атомном масштабах. В основе предполагаемых прорывных результатов настоящего проекта лежат современные зондовые а также сверхнизкокотемпературные (до 10 мК) электронно-транспортные, магнето-транспортные методы имеющиеся в распоряжении участников проекта в полном объеме, которые будут использоваться для диагностики когерентных низкоразмерных систем, таких как искусственные гибридные структуры и кристаллы с сосуществованием сверхпроводимости и ферромагнетизма. Таким образом, в развитие проведенных ранее исследований: - Будет продолжено развитие зондовых методов исследования локальных характеристик, включающие низкотемпературную туннельную, атомно-силовую и магнито-силовую микроскопию. - Будет продолжено исследование эффектов близости, инверсии плотности электронных состояний и разности сверхпроводящих фаз в искусственных слоистых структурах сверхпроводник-ферромагнетик (SF) и других гибридных системах. Методами сканирующей туннельной и магнитно-силовой микроскопии в ферромагнитных плёнках и гибридных S/F структурах будет исследована структура магнитного потока, особенности пространственного распределения плотности электронных состояний, связанные с эффектом близости, а также ее инверсия при переходе в pi-состояние. Обобщенный анализ процессов в таких системах будет положен в основу методов создания базовых элементов (нейронов и синапсов) сверхпроводниковых нейросетей, в том числе и адаптированных для функционирования в “квантовом режиме”. - Будут исследованы электронные свойства сегментированных нанопроводов, предложены варианты использования нанопроводов для реализации нейронов и синапсов. - Будет экспериментально и теоретически исследованы транспортные свойства гибридных и джозефосновских структур с металлическими нанопроводами (например, их зависимость от ширины сверхпроводниковых электродов). Так, при малых размерах электродов система может переходить в неравновесное состояние даже при небольших задаваемых токах, что может существенно изменить поведение данного перехода. Это задача важна, в связи с тем, что подобные элементы являются частью предложенных ранее искусственных нейронов, а изучаемый вопрос может определить дополнительные ограничения на пределы миниатюризации данных устройств, или дать необходимые поправки для их преодоления. Будет выполнено теоретическое описание распределения компонент тока в подобных структурах между нормально-металлической частью и сверхпроводниковым электродом. - Также, одним из продолжений будет исследование сверхпроводящих ферромагнетиков на основе соединения EuFeAs. В частности планируется их экспериментальное исследование с использованием самых современных зондовых (локальных), магнето-транспортных (интегральных) и СВЧ методов, а также теоретическое описание свойств ферромагнитной подсистемы. В результате будут установлены конфигурации спинового упорядочения в изученных системах. Будет разработана и подвергнута проверке стратегия для экспериментальных исследований спиновых упорядочений (в том числе - геликоидальности) в нетрадиционных ферромагнитных системах с использованием лабораторных методов исследований (измерения намагниченности, эксперименты по ферромагнитному резонансу) и соответствующей теоретической базы. Проект внесет заметный вклад в изучение нетрадиционных ферромагнитных систем, а также в понимание природы сосуществования сверхпроводимости и ферромагнетизма. - Предполагается экспериментально и теоретически исследовать транспортные свойства гибридных и джозефосновских структур с металлическими нанопроводами (например, их зависимость от ширины сверхпроводниковых электродов). Так, при малых размерах электродов система может переходить в неравновесное состояние даже при небольших задаваемых токах, что может существенно изменить поведение данного перехода. Это задача важна в связи с тем, что подобные элементы являются частью предложенных ранее искусственных нейронов, а изучаемый вопрос может определить дополнительные ограничения на пределы миниатюризации данных устройств. - Планируется, по мотивам недавно полученных результатов, где было продемонстрировано, что в гибридной структуре сверхпроводник(S)/ферромагнитный изолятор(FI) при наличии спин-орбитального взаимодействия типа Рашбы на S/F интерфейсе возникают спонтанные токи в атомарно тонком слое вблизи границы [Mironov and Buzdin, Phys. Rev. Lett. 118, 077001 (2017), Zh. Devizorova, et. al., Phys. Rev. B 103, 064504 (2021)]], рассмотреть более точную модель и проанализировать оптимальные характеристики структуры для генерации пары вихрь-антивихрь. Далее будет рассмотрен случай, когда спонтанный ток достаточно большой и вихрей в системе становится много. Интерес представляет расчет равновесных конфигураций вихрей и их характеристик, что будет сделано в рамках проекта. На данный момент рассчитана конфигурация спонтанных токов и их влияние на свойства гибридных структур только для случая однородной намагниченности ферромагнетика. Представляет интерес рассмотреть ситуацию, когда намагниченность неоднородна (например, магнитный геликоид, неелевская доменная стенка и др.) и рассчитать конфигурацию спонтанных токов и изменение сверхпроводящих характеристик, связанных с их протеканием. Эти токи могут существенно влиять на сверхпроводящие свойства таких гибридных систем. Например, если толщина сверхпроводника много меньше длины когерентности, критическая температура сверхпроводящего фазового перехода может увеличиваться, а во внешнем магнитном поле зависеть от взаимной ориентации магнитного поля и обменного поля в ферромагнетике. Кроме того, критический ток такой структуры становится анизотропным. Так, ранее в рамках простейшей модели было показано, что в структуре, в которой ферромагнитная пленка конечной ширины лежит на сверхпроводнике, спонтанные токи могут приводить к генерации пары вихрь-антивихрь на противоположных границах ферромагнитной пленки [Olde Olthof, et. al., Phys. Rev. B 100, 220505(R)]. Практическая значимость предполагаемых результатов продления проекта обусловлена минимум двумя фундаментальными факторами. - На настоящий момент не сформировано полного понимания типа и природы спинового упорядочения в ферромагнитных сверхпроводниках. В зависимости от состава, исследуемые соединения на основе EuFeAs, могут характеризоваться ферромагнитным, антиферромагнитным, и даже геликоидальным типом спинового упорядочения. Возможная геликоидальность находится в некотором противоречии с существующими моделями антиферромагнитных слоистых систем. Роль сверхпроводимости при формировании спинового упорядочения также не до конца ясна. Результатом проекта будет установление спинового упорядочения в ферромагнитных сверхпроводниках на основе соединения EuFeAs в подсистеме Eu а так же в искусственных гибридных системах сверхпроводник/магнетик. Этот результат внесет заметный вклад в изучение взаимного влияния магнетиков и сверхпроводников как нового класса функциональных гибридных материалов. - Возможности определения типа спинового упорядочения в нетрадиционных ферромагнитных/антиферромагнитных материалах сильно ограничены. По большому счету, единственным достоверным экспериментальным способом изучения спинового упорядочения является метод нейтронной дифракции, который вряд ли можно отнести к «лабораторным» в простом понимании этого термина, поскольку для его проведения требуется источник нейтронов (реактор). Результатом проекта будет формирование стратегии для экспериментальных исследований спиновых упорядочений (в том числе - геликоидальности) в нетрадиционных ферромагнитных/антиферромагнитных материалах с использованием лабораторных методов исследований (измерения намагниченности, эксперименты по ферромагнитному резонансу) и соответствующей теоретической базы. Ожидается, что, в соответствии с теоретическими исследованиям, проведенными в рамках проекта, совокупность определенных особенностей намагниченности и спектров ФМР будут однозначно ассоциированы с конфигурацией спинового упорядочения. Все выше перечисленные направления исследований имеют критически важное значение для характеризации сверхпроводниковых перестраиваемых элементов “с памятью”. Обобщенный анализ процессов в таких системах будет использован при моделировании работы базовых элементов (нейронов и синапсов) сверхпроводниковых нейросетей, в том числе и адаптированных для функционирования в “квантовом режиме”.

---

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

---