Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи, связанной с поиском новых типов носителей и материальных сред для генерации, обработки и передачи информационных сигналов, организацией вычислений, методов функциональной обработки и хранения информации в распределенных системах микро- и наноразмерных пространственных масштабов на основе латеральных и вертикальных топологий реконфигурируемых магнонных сетей. В результате выполнения первой части настоящего проекта получены важные фундаментальные результаты, относящиеся к разделу магноники и магнонной спинтроники, разработаны новые подходы к описанию спин-волновой динамики в нерегулярных латеральных и вертикальных топологиях реконфигурируемых нейроморфных магнонных сетей. Созданы экспериментальные макеты и проведены исследования методами радиофизических и магнитооптических (Мандельштам-Бриллюэновская спектроскопия) измерений свойств спиновых волн в латеральных и вертикальных топологиях дипольно связанных нерегулярных магнитных микроструктур. В рамках выполнения первого этапа настоящего проекта решены задачи, направленные на построение теоретических моделей, проведения численного исследования и первого этапа создания исследуемых магнонных структур с вертикальными и латеральными связями: 1. Разработана теоретическая модель, описывающая динамику распространения и дипольной связи спиновых волн, распространяющихся в структурах с латеральной и вертикальной связями на основе связанных нелинейных уравнений Гинзбурга-Ландау. Созданы экспериментальные образцы функциональных элементов магнонных сетей на основе латерально и вертикально связанных магнитных волноводов микронных размеров. Экспериментально методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии показано увеличение длины связи спиновых волн в 1.3 раза в нелинейном случае по сравнению с линейным и выявлены режимы переключений намагниченности при изменении управляющих параметров – мощности входного сигнала. Получено хорошее соответствие результатов численного расчета и экспериментального исследования. Эффекты нелинейного переключения в системах латеральных магнитных микроволноводов позволяют создавать нелинейные ответвители и делители мощности спин-волнового сигнала в планарных топологиях магнонных сетей для селективной обработки информационных сигналов. 2. Предложен метод управления лазерным излучением в структурах на основе пленок железо-иттриевого граната совмещенных с GaAs-подложками. Методом ферромагнитного резонанса (ФМР) и методом Бриллюэновского светорассеяния (BLS) показано, что при исследуемая структура представляет собой двуслойную пленку ЖИГ с толщинами слоев 54 и 60 нм. На основе измеренных значений намагниченности в созданных образцах проведен расчет распределений внутренних статических полей в двуслойной структуре с учетом магнитной анизотропии формы. Получено хорошее соответствие экспериментальных и теоретических результатов полученные для частот спин-волновых резонансов. Показано, что дисперсионные характеристики спиновых волн в тонких пленках YIG могут быть изменены контролируемым образом с помощью оптического излучения. На основе проведенного исследования влияния лазерного излучения на статические свойства структур выявлены характеристики лазерного излучения наиболее эффективно меняющие профиль намагниченности в созданных образцах и дисперсию спин-волновых возбуждений. В частности, индуцированное инфракрасным излучением изменение проводимости GaAs приводит к сдвигу частоты спиновых волн на величину до 220 МГц. 3. Методом микромагнитного моделирования исследован спин-волновой транспорт в магнонных структурах, состоящие из латерально связанных ЖИГ нано-волноводов, определены размеры магнитных структур, при которых наблюдается эффективная передача спин-волнового сигнала с частотно-селективными свойствами. Показано, что при изменении ширины зазора от 100 нм до 500 нм меняется длина связи спиновых волн, распространяющихся в структуре. Отработана методика травления ионно-лучевым пучком поверхности пленки ЖИГ толщиной 200 нм для создания образцов функциональных элементов магнонных сетей на основе латерально и вертикально связанных магнитных волноводов микронных размеров. С помощью методов зондовой микроскопии показано, что минимальный размер зазора между волноводами может составлять порядка 100 нм при облучении поверхности пленки ЖИГ потоками высокоэнергетических ионов галлия. Из данных микромагнитного моделирования следует, что данная величина зазора достаточна для эффективной спин-волновой связи. 4. На основе микромагнитных вычислений волновых характеристик (дисперсии групповых скоростей, распределения динамической намагниченности) и модового состава спиновых волн, распространяющихся в U-образном магнитном элементе, определены параметры структуры (ширина канала, толщина пленки ЖИГ, радиус скругления) при которых наблюдается эффективная передача спин-волнового сигнала и изменение направления групповой скорости спиновой волны. Показана возможность использования структуры с нарушением трансляционной симметрии для разворота направления распространения спин-волнового сигнала на противоположное. Проведен расчёт характеристик спин-волнового транспорта при изменении направления и величины поля подмагничивания. Показано, что ввиду анизотропии формы распределением внутреннего поля в магнонном U-элементе возможно управлять путем изменения угла подмагничивания структуры, при этом в структуре могут формироваться краевые магнонные моды. В численном моделировании показано, что для значения внутреннего радиуса полукольца, равного ширине микроволновода, величина изменения внутреннего поля имеет наибольшее значение, что обуславливает наибольшую величину диапазона перекрытия дисперсионных характеристик поверхностных и обратных объемных магнитостатических волн (ПМСВ и ООМСВ) и, следовательно, расширяет частотный диапазон, в котором достигается эффективная передача мощности спиновой волны в структуре. 5. На основе экспериментальных исследований методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии (МБС) проведена предварительная оценка свойств невзаимности в U-образном магнитном элементе, выявлены режимы переключений намагниченности и изменения передаточных характеристик спиновых волн при изменении управляющих параметров (лазерного излучения, падающего на область неоднородности) и исследована трансформация модового состава возбуждаемых поверхностных магнитостатических волн в поперечные моды обратных объемных магнитостатических волн при облучении лазерным излучением, при этом показано, что использование лазерного излучения в этом случае позволяет осуществлять изменение коэффициента прохождения спин-волнового сигнала при возбуждении (ООМСВ). Предложенная структура позволяет осуществлять пространственно-частотную селекцию спин-волновых сигналов, что позволяет использовать ее в качестве функционального элемента межсоединений в системах обработки информационного сигнала. 6. В рамках решения задачи об исследование вертикальной связи спиновых волн в многослойных структурах в виде суперрешеток a Pt/Co_68B_32/Ir в форме Ta(3.2 nm)/Pt(2.6 nm)/[Co68B32(0.8 nm)/Ir(0.4nm)/Pt(0.6 nm)]×3/Pt(2.1 nm) методом Мандельштам-бриллюэновской спектроскопии было проведено исследование многослойных магнитных плёнок и процессов формирования стабильных магнитных текстур, имеющих структуру скирмионов. На таких масштабах в многослойных магнитных структурах ввиду наличия сильного обменного антисимметричного взаимодействия возможным оказывается образование скирмионов неелевского типа. При этом из-за небольшого числа повторений слоёв тип хиральности доменной стенки может повторяться при переходе от слоя к слою. В продолжение этого исследования планируется изучение вертикально связанных наноструктур и неоднородных топологических магнитных состояний при учёте как асимметричного обмена Дзялошинского-Мория, так и косвенного обменного взаимодействия Рудермана – Киттеля – Касуя – Иосиды при антиферромагнитной связи между слоями структуры. На основе латеральных магнитных наноструктур возможным оказывается создание функциональных устройств нового поколения для информационно-телекоммуникационных систем микроволнового и терагерцового диапазона  

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Во второй год работы над проектом были проведены теоретические и экспериментальные исследования направленные на объединение двух предложенных в проекте концепций - управления лазерным излучением и построение трехмерных магнонных элементов - для создания многоканальных систем обработки сигнала и пространственно-частотной селекции спиновых волн. Вместе с разработкой численных моделей, изготовлением образцов экспериментальных структур в проекте решалась фундаментальная научная проблема, связанная с разработкой физико-технологических принципов создания функциональных элементов на основе магнитных структур для передачи информационных сигналов, организации параллельных вычислений, методов обработки и хранения информации в физических системах различной топологии и пространственного масштаба. Были изучены режимы генерации, динамики распространения спиновых волн в волноведущих структурах, созданных на основе пространственно-локализованных неоднородностей в ферромагнитных средах, в том числе реконфигурируемых лазерным излучением. В проекте показано, что использование лазерного излучения, наряду с традиционным управлением свойствами спиновых волн открывает новые возможности для разработки быстродействующих реконфигурируемых наноразмерных устройств спинтроники и спин-фотоники. Для решения задачи об управляемом спин-волновом транспорте в планарных структурах с латеральными связями было проведено исследование нерегулярной спин-волноводной структуры для латеральных и вертикальных топологий магнонных сетей в виде U образной структуры. Для демонстрации режимов управления распределением интенсивности спин-волнового сигнала при изменении угла направления равновесной намагниченности было проведено численное моделирование на основе решения уравнения Ландау–Лифшица и разработана методика расчета коэффициента пропускания и фазы спин-волнового сигнала в U-образном элементе на основе метода матриц передач. На основе созданных структур U образных волноводных каналов на пленках железо-иттриевого граната (ЖИГ) проведено численное экспериментальное исследование режимов пространственно-частотной селекции спин-волнового сигнала в нерегулярном магнонном элементе. Методом Мандельшам-Бриллюэновской спектроскопии (МБС) проведено исследование механизма управления спин-волновым транспортом в изготовленной U образной структуре. На основе экспериментального исследования выявлены механизмы управления характеристиками спиновых волн в U образной структуре при локальном изменении намагниченности с помощью фокусированного в области неоднородности лазерного излучения и одновременного изменения угла подмагничивания структуры. Полученные карты распределения компоненты динамической намагниченности и частотная зависимость коэффициентов спин-волновой передачи при изменении угла равновесной намагниченности в спин-волноводном канале демонстрируют новый механизм плавной перестройки амплитуды и фазы спиновой волны в плечах структуры. Результаты численного расчета и экспериментального исследования, проведенного методом МБС находятся в хорошем соответствии друг с другом. Экспериментально и в численном моделировании показана возможность трансформации спектров прохождения спиновых волн при облучении сфокусированным лазерным излучением области нерегулярности в U-элементе. Исследованы особенности спин-волнового транспорта при скейлировании предложенных в проекте магнонных структур до наноразмерных характерных масштабов. На основе проведенного расчета карт динамических компонент намагниченности выявлено влияние на свойства спиновых волн одновременного изменения эффективного внутреннего магнитного поля за счет проявления свойств анизотропии формы пермаллоевых структур вместе с изменением градиентов локального распределения намагниченности насыщения в нерегулярной области U-элемента. Было проведено исследование спинового транспорта в многослойных сверхтонких магнитных пленках и процессы формирования в них стабильных устойчивых структур, которыми можно управлять, воздействуя на них электрическим током. В режим управления сигналом, состоящим из последовательности топологически устойчивых структур, большой вклад вносит микроструктура материала, по которому происходит движение. В этом случае открываются новые перспективы для создания управляемых устройств «беговой» памяти с возможностью пространственного разделения и ускоренному обращению к данным. Таким образом, разработка методов управления динамикой спиновых волн и скирмионов открывает возможность создания систем обработки информационного сигнала нового поколения. (https://www.sgu.ru/news/2020-03-26/v-sgu-prodemonstrirovana-vozmozhnost-upravleniya) На основе результатов микромагнитных вычислений с помощью численного решения уравнения Ландау–Лифшица-Гильберта проведен анализ распределения магнитных полей и спектра собственных мод для Х образной структуры с вертикальной связью. Было проведено микромагнитное моделирование процессов волноводного распространения спиновых волн в одном из волноводов и генерации волн в ортогональном волноводе. На основе данных результатов выявлены механизмы и способы управления режимами генерации, динамикой распространения спин-волновых сигналов в системе ортогональных полосок с вертикальной связью. На основе экспресс-метода структурирования тонких пленок железо-иттриевого граната с помощью установки локальной лазерной абляции на основе волоконного YAG:Nd лазера с 2D гальванометрическим сканирующем модулем были сформированы микроразмерные волноводные структуры на основе ЖИГ толщиной 1 мкм в виде ортогональной системы ЖИГ волноводов с латеральной связью (магнонный X образный волновод). С помощью экспериментального исследования методами микроволновой спектроскопии и Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии выявлен механизм управления спин-волновой связью и определены методы вариации значения коэффициента прохождения спиновых волн через нерегулярную область. Путем создания областей с неоднородным распределением намагниченности в областях пересечения волноводных каналов показана возможность возбуждения спиновых волн при однородной СВЧ накачке всего образца в целом. Использована структура с электродами из ITO (Оксид индия-олова), являющихся прозрачными для излучения с длинами волн 450-880 нм и одновременно являющиеся проводниками электрического тока. Задача о согласовании электрода из ITO с СВЧ микрополосками решена в пакете программ Comsol Multiphysics. С помощью исследования методом МБС были выявлены особенности спин-волнового транспорта при дипольной связи в области магнонных микроволноводов. Для этого проведено исследование влияния градиентов внутренних магнитных полей, созданных током, протекающим в электродах из ITO, на распространение спиновой волны в ЖИГ микроволноводе. Показана возможность управления модовым составом распространяющегося излучения при изменении величины силы тока. В численном моделировании и с помощью экспериментального исследования показано, что при однородном возбуждении структуры удается управлять распределением динамической намагниченности в областях градиентов внутренних полей и оказывается возможным режим управления эффективной шириной спин-волноводного канала. На основе разработанных ортогональных Х образных структур и U образных структур, управляемых лазерным излучением, могут быть построены многоотводные линии задержки и модули для частотной и пространственной интеграции/разделения информационных сигналов типа LEGION, образованной волноводными каналами с микронными и субмикронными пространственными размерами, сформированными градиентами внутренних магнитных полей в областях связи. По результатам исследования получено положительное решение о выдачи патента на изобретение “Оптически управляемый переключатель на магнитостатических волнах”, свидетельство на программу для ЭВМ. Опубликовано 7 статей в журналах, входящих в WebOfScience, с результатами, полученными в рамках выполнения настоящего проекта. Результаты работы представлены на международных и всероссийских конференциях в виде устных и постерных докладов с публикациями в сборниках тезисов (в том числе 2 пленарных доклада и 2 приглашенных доклада).