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 19-12-00397

НазваниеФундаментальные исследования спиновой сверхтекучести в магнетиках

РуководительБуньков Юрий Михайлович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Общество с ограниченной ответственностью «М-Гранат», г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ

2019 г. - 2021 г.

Конкурс№35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».

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

Ключевые словамагноника, когерентные состояния, спиновая сверхтекучесть, эффект Джозефсона, ферромагнитный резонанс, смарт материалы.

Код ГРНТИ29.19.41

СтатусУспешно завершен

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Спиновая сверхтекучесть является магнитным аналогом массовой сверхтекучести гелия и сверхпроводимости в сверхпроводниках. В этом явлении магнитный момент переносится на макроскопические растояния за счёт сверхтекучего тока квазичастиц (магнонов). Спиновый сверхток определяется градиентом фазы когерентного конденсата магнонов, который возникает при достаточно большой их концентрации - магнонного Бозэ-Эйншейновского конденсата (БЭК), возникающего благодаря Бозе статистике магнонов. В рамках данного проекта мы исследуем магнонный БЭК для магнонов с волновым вектором к=0. Данный конденсат аналогичен атомарному БЭК и выгодно отличается от конденсата с ненулевым волновым числом тем что фаза его волновой функции во первых может быть измерена а во вторых ей можно управлять радиочастотным (РЧ) полем. Открытие спиновой сверхтекучести имеет Российский приоритет. Она была открыта в Институте Физических проблем в Москве в 1984 году в сверхтекучем антиферромагнитном 3Не. С тех пор спиновая сверхтекучесть в антиферромагнитных состояниях сверхтекучего 3Не изучалась в лабораториях Англии (Ланкастерский университет), Франции (Институт Нееля, Университет Рон-Альп), Японии (Университет Кионо и институт физики твёрдого тела, Кашива, Токио), Корнельский униветситет (США), Университет Шафарика (Кошице, Словакия), Аальто университет, (Хельсинки, Финляндия) и многих других исследовательких центрах, где могли достичь охлаждения 3Не до столь низких температурах, как 0,001К. Однако магнитная сверхтекучесть и связанный с ним магнонный БЭК являются чисто магнитными явлениями и не связаны непосредственно с массовой сверхтекучестью 3Не. Поэтому Ю.М.Буньковым было предложено найти эти явления в твёрдотельных антиферромагнетиках при гелиевых температутах. Спиновая сверхтекучесть и магнонный БЭК были обнаружены в MnCO3 и CsMnF3 на моде связанных ядерно-электронных колебаний и исследовано в рамках проекта РНФ 16-12-10359. После удачного обнаружения БЭК в антиферромагнетиках было предложено провести аналогичные исследования в итриевом феррит-гранате (ЖИГ) при комнатных температурах. Дело в том что для образования устойчивого бозонного конденсата необходимо отталкивание между магнонами, которое образует энергетическую щель. Эта щель, как и в случае сверхтекучести и сверхпроводимости определяет критическую скорость сверхтекучего переноса. Динамика магнонов в 3Не и ЖИГ имеет много общего. Магнитный БЭК при комнатной температуре был тольк что получен. Статья о этом открытии послана в журнал и выставлена в архиве на сайте: arXiv.org > cond-mat > arXiv:1810.08051. Магноны подчиняются статистике Бозэ и при достаточно высокой плотности или достаточно низкой температуре могут конденсироваться в макроскпическом числе на нижний энергетический уровень и соответственно описываться единой волновой функцией. Градиент этой финкции и приводит к безпотенциальному переносу магнонов – спиновой сверхтекучести. Наряду со сверхтекучестью и сверхпроводимостью это явление является фундаментальным макроскопическим квантовым явлением. Открытие спиновой сверхтекучести при комнатной температуре является первым проявлением такого рода макроскопической квантовой механики при столь высокой температуре (не считая нуклонную сверхтекучесть в нейтронных звёздах). Открытие спиновой сверхтекучести при комнатной температуре является очень важным для решения задачь магноники и спинтроники. На западе, в университете Кайзерслаутена, с которым у нас сложилось научное партнёрство, сейчас выполняется проект «Супермагноника» (European Research Council (ERC), Project ID: 694709 «SuperMagnonics») с 5 летним бюджетом 2, 44 миллиона евро. В этом проекте изучается разновидность магнонного БЭК в ЖИГ, который достигается при продольном намагничивании плёнки ЖИГ. При этом магноны конденситуются в бегущие спиновые волны с к порядка 10-5 см-1. Эти магноны исследуются методами рассеяния света так как они не взаимодействуют с однородным полем. В подходе, разработанном в наших исследованиях, магнонный БЭК образуется магнонами с к=0 при перпендикулярном намагничивании плёнки. Ситуация во многом аналогична той, что имеет место в антиферромагнитном сверхтекучем 3Не. При этом магнонный БЭК непосредственно взаимодействует с магнитным полем и может использоваться для возбуждения, хранеия и считывания информации. Исследования этого тира БЭК имеют уже богатую историю. На нём были обнаружены перенос намагниченности на большие растояния, критический спиновый сверхток, эффект Джозефсона, квантовые вихри, голдстоуновские моды колебаний (магнитный аналог второго звука в 4Не). Обнаружение этих фундаментальных квантовых явлений в ЖИГ и других магнетиках при комнатной температуре является одной из амбициозных задач данного проекта. Другой связанной задачей является получение магнонного БЭЕ путём нерезонансного возбуждения, а также за счёт спинового торка, переноса намагниченности из металла за счёт эффекта холла. При решении этой фунламентальной проблемы появится возможность создать гибридные цепи электроника-спинтроника-магноника-супермагноника. Потенциал подобных цепей трудно переоценить. Кроме того, магнонный БЭК на одной из ветвей магнитного резонанса должен взаимодействовать с другими степенями магнитной свободы. В частности, представляет интерес задача о возбуждении сверхбыстрой магнитной динамики в образце с магнонным БЭК фемтосекундными лазерными импульсами. Изучения данной задачи является одним из ключевых направлений данного проекта. В заключение, проект направлен на изучение макроскопических квантовых явлений магнонов и имеет фундаментальное значение для развития магноники и супермагноники что в дальнейшем отразится на развитие технических приложений этих областей физики и внесут неоценимый вклад в развитие экономики и социальной сферы.

Ожидаемые результаты
В настоящем проекте исследуются фундаментальные квантовые свойства магнонов при их конденсации в когерентное состояние. Это состояние при комнатной температуре только что получено и в этом заключается актуальность этих исследоваеий. Бозэ конденсат магнонов, в отличии от атомарного конденсата, получается при увеличении их концентрации выше порогового занчения при постоянной температуре. Сейчас существует 2 типа конденсата. Один, аналогичный атомарному, образуется при накачке магнонов при намагниченности, перпендикулярной плоскости плёнки ЖИГ. В нём минимум энергии соответствует магнонам с к=0. Другой, аномальный конденсат, возникает при продольной намагниченности. В нём минимум энергии осуществляется для бегущих спиновых волн. Наш научный интерес сосредоточен на первом, нормальном типе конденсата. Он прекрасно взаимодействует с внешним магнитным полем и может излучать радиочастотный сигнал. Именно это свойство позволяет манипулировать с БЭК и использовать его для связи с магнитными и электронными носителями. В первую очередь стоит задача по наблюдению фундаментальных кванотвых явлний. Таких как квантовый перенос намагниченности на макроскопические растояния, наблюдение критического сверхтекучего тока, сброса фазы и квантовых вихрей. Наиболее важным будет наблюдение эффекта Джозефсона на спиновом супертоке. Эти фундаментальные явления спиновой сверхтекучести уже были получены нами в антиферромагнитных фазах сверхтекучего 3Не. Поэтому мы имеем ясное представление о том, как осуществить данные исследования. Обзор этих исследованиы можно найти в статье Yu. M. Bunkov, G. E. Volovik “Spin superfluidity and magnon BEC”опубликованной в книге "Novel Superfluids", eds. K. H. Bennemann and J. B. Ketterson, Oxford University press, (2013) (arXiv:1003.4889v3) Однако главное значение этих явлений заключается в том, что эти эффекты стало возможным наблюдать при комнатных темературах. Наблюдение всего набора квантовых явлений является очень важным этапом работ, однако не является самоцелью. Важным этапом дальнейших исследований является использование когерентных квантовых свойств магнонного конденсата для построения магнонных цепей, например каскада переходов Джозефсона для элементов магнитной логики и памяти. Вторым направлением исследований будет инжектирование магнонов из металлов в ЖИГ за счёт эффекта Холла с последующим доведением концентрации магнонов до образования магнонного конденсата. Это позволит инкорпорировать элементы супермагноники и спинтроники в единые цепи. Такого типа эксперименты, по нашим данным, ещё никто не проводил. Третьим направлением исследований будет возможность использования Голдстоуновских колебаний конденсата (аналог второго звука) для управления сверхтекучим спиновым током. Таким образом, можно создать базу знаний для дальнейшей разработки полевых транзисторов и других прибогов супермагноники. И наконец четвёртым направлением исследований будет исследование взаимодействия между различными модами магнитных колебаний при магнонной Бозэ кодденсации в одной из них. Для этого мы планируем возбуждать высокочастотную моду колебаний фемтосекундными лазерными импульсами и наблюдать отклик магнонного БЭК на низкой моде колебаний. Из этих поисковых экспериментов мы надеемся выявить способы быстрого управления магнонным БЭК, что может является очень значимой возможностью для дальнейшего применения в супермагнонике. Магнонные системы имеют большой потенциал для создания элементной базы квантовых информационных технологий: кубитов, квантовых гейтов и квантовой памяти. Одним из ключевых преимуществ магнонных систем по сравнению с другими платформами (ультрахолодными атомами, ионами и сверхпроводящими кубитами) является сочетание высокого времени когерентности с возможностью добиться высокого уровня степени совпадения (fidelity) квантовых операций. Кроме того, отсутствие электрического тока в магнонных и тем более супермагнонных системах позволит в будущем решить проблему перегрева логических систем. Все эти пионерские направления исследований должны внести неоценимый вклад в развитие магноники и супермагноники и таким образом ускорить развитие экономики и социальной сферы.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Обнаружено первое сверхтекучее состояние в конденсированных средах, существующее при комнатной температуре. Оно характеризуется тем, что свойством сверхтекучести в нём обладают магноны. Ранее сверхтекучее состояние магнонов было открыто в антиферромагнитном сверхтекучем 3Не при сверхнизких температурах порядка 0.001К. Были обнаружены магнитные аналоги всех сверхтекучих эффектов, таких как: перенос намагниченности сверхтекучим спиновым током, критический ток, сброс фазы, эффект джозефсона, магнитные квантовые вихри, голдстоуновские моды колебаний плотности сверхтекучей компоненты (аналог второго звука в 4Не) [1]. В дальнейшем спиновая сверхтекучесть была обнаружена при гелиевых температурах в антиферромагнетиках со связанной ядерно-электронной прецессией [2]. И вот, наконец , удалось её создать при комнатной температуре в плёнках Железо-Иттриевого граната. Обнаружено свойство магнонной сверхтекучести образовывать пространственно когерентное состояние во внешних неоднородных условиях. Оно проявилось в том, что когерентные магноны заполнили всё пространство образца, где величина магнитного поля была ниже чем поле, соответствующее резонансу на частоте накачки [3]. Был обнаружен сверхдолгоживущий сигнал когерентной индукции, природа которого пока не нашла своего объяснения [4]. Он во многом аналогичен сигналу в 3Не, который был объяснен формированием Q-болла – гипотетической модели образования элементарных частиц [5]. Данное открытие может быть применено в разработке квантовых компьютеров, аналогичных недавно успешно протестированному компьютеру фирмы Гугл, в котором использованы кубиты на основе эффекта Джозефсона в сверхпроводниках [6]. Аналогичную методику можно применить и при использовании магнонного эффекта Джозефсона [7], но работать он сможет и при комнатной температуре. [1] Yu. M. Bunkov, G. E. Volovik “Spin superfluidity and magnon BEC” Chapter IV of the book "Novel Superfluids", eds. K. H. Bennemann and J. B. Ketterson, Oxford University press, (2013) arXiv:1003.4889v3 [2] Yu. M. Bunkov et al.,“High Tc spin superfluidity in antiferromagnets”, Phys. Rev. Lett. 108, 177002 (2012). [3] Yu. M. Bunkov et al.,“The magnonic superfluid droplet at room temperature https://arxiv.org/pdf/1911.03708.pdf [4] Ю.М. Буньков, и др. Долгоживущий сигнал индукции в Железо-Иттриевом гранате Письма в ЖЭТФ (в печати) [5] Yu.M. Bunkov and G.E. Volovik, “Magnon Condensation into a Q Ball in 3He-B” Phys. Rev. Lett. 98, 265302 (2007). [6] Arute, F. et al. Nature 574, 505–511 (2019). [7] Yury Bunkov, ``Magnonics and Supermagnonics’’ SPIN, 9 (4 ), 1940005 (2019)

Публикации

1. Ю.М. Буньков, A.Фархутдинов, А. Н. Кузмичёв, Т. Р. Сафин, П. М. Ветошко, В. И. Белотелов, М. С.Тагиров, The magnonic superfluid droplet at room temperature Arxiv, arXiv:1911.03708 (год публикации - 2019)

2. Ю.М. Буньков, П. М. Ветошко, А. Н. Кузмичёв, Г. В. Мамин, C. Б. Орлинский, Т.Р. Сафин, В. И. Белотелов, М. С.Тагиров. Долгоживущий сигнал индукции в Железо-Иттриевом гранате Рисьма в ЖЭТФ, - (год публикации - 2020)

3. Юрий Буньков Spin Superfluid state at room temperature AIP Conference Proseadings, - (год публикации - 2020)

Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Сверхтекучесть и сверхпроводимость при комнатной температуре! Это результат исследований в рамках проекта РНФ «Фундаментальные исследования спиновой сверхтекучести в магнетиках». Речь идёт о сверхтекучем состоянии Бозе конденсированных неравновесных магнонов и сверхпроводящем переносе магнитного момента током магнонов. Впервые эти явления были открыты в сверхтекучем 3Не при температурах ниже 0.001 К. Конечно, при таких эксиримальных условиях существования данных эффектов невозможно было даже подумать о их использовании в приложениях. Однако в дальнейшем было установлено,что в данных эффектах массовая сверхтекучесть 3Не не играет существенную роль. Данные эффекты существуют благодаря магнитному упорядочению и проявляются при достаточно большой плотности неравновесных магнонов, когда плотность превышает необходтмую для их Бозе конденсации. Эти эффекты были открыты в 3Не благодатя рекордно большим впеменам жизни неравновесных магнонов. Одним их лучших магнитоупорядоченных систем, существующих при комнатных температурах является Железо-Иттриевый гранат (ЖИГ). К сожалению время жизни магнонов в нём на три порядка короче, чем в 3Не. Несмотря на это, заня свойства спиновой сверхтекучести в 3Не, нам удалось получить аналоничные эффекиы и в ЖИГ. Во первых удалось получить долгоживущий сигнал индукции в котором проявились когерентные свойства магнонного Бозэ конденсата. Затем уволось наблюдать когерентный пространсвенных перенос магнонов на растояние порядка сантиметра. И наконец, удалось зафиксировать когерентное состояние магнонов при помощи оптической системы регистрации. Горизонты исследований спиновой сверзтекучести непрерывно расширяются, выходя за рамки задач, поставленных в исследованиях о данному проекту. Так возникла идея использования Бозе конденсата магнонов и спиновой сверхтекучести для создания магнонного кубита для проведения квантовых вычислений («Квантовая магноника» , JETP, 131, 18-28 (2020)) . Реализация данной идеи может привести к созданию квантового компьютера, работающего при комнатной температуре, что явилось бы настоящим прорывом в квантовых технологиях. Другим возможным расширением рамок исследований является открытие магнонных топологических изоляторов. Во всяком случае, наши исследования привели к открытию квазичатиц Майорана в топологическом изоляторе – сверхтекучем 3Не. (Scientific Reports, 10, 20120 (2020). ) Таким образом, выполняя программу исследований по заявленному проекту, мы находим всё больше возможностей для новых, прорывных исследований.

Публикации

1. Буньков Ю. М., Константинов Д. Features of the Coupled Nuclear–Electron Spin Precession in the Bose–Einstein Condensate of Magnons JETP Letters,, JETP Lett., 112, 95-100 (2020). (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S0021364020140076

2. Буньков Ю.М. Quantum Magnonics Journal of Experimental and Theoretical Physics, 131, 18–28, 2020 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1134/S1063776120070018

3. Буньков Ю.М. Magnonic superuidity versus Bose condensation Applied Magnetic Resonanse, Volume 51 Number 12 1711-1721 (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1007/s00723-020-01223-z

4. Буньков Ю.М., Газизулин Р.Р. Direct observation of the specific heat of Majorana quasiparticles in superfluid 3He-B Scientific reports, 10, 20120 (2020) (год публикации - 2020)

5. Буньков Ю.М. Magnon Bose condensed state for quantum computing Modern developement of magnetic resonance, Kazan, 2020, стр.75 (год публикации - 2020)

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Создана уникальная установка по оптическому наблюдению формирования магнонного Бозе-Эйнштейновского конденсата (мБЭК) в плёнке Железо-Иттриевого граната (ЖИГ). Конденсат образуется из магнонов, возбуждённых за счёт радиочастотной фотонной накачки. Удалось наблюдать пространственное распространение мБЭК далеко за пределы области возбуждения. Зафиксировано образование области мБЭК в минимуме локального магнитного поля, а также туннелирование магнонов через узкую щель. Проведены исследования нерезонансного возбуждения магнонов с последующим формированием мБЭК. Проведено моделирование образования мБЭК в условиях неоднородного магнитного поля, а также туннелирования магнонов через щель в плёнке ЖИГ. Исследованы механизмы затухания магнонов за счёт намагниченности промежуточного слоя между плёнкой ЖИГ и субстратом, содержащим гадолиний. Именно рост магнитного момента гадолиния при охлаждении и приводит к невозможности использования традиционных образцов ЖИГ в области низких температур. Однако традиционным способом уменьшения затухания является охлаждение образцов до низких и сверхнизких температур. С этой целью нами подобран другой субстрат - Y3Ga3Sc2O12. Экспериментальные исследования первых полученных образцов ЖИГ, выращенных на этом субстрате, показали отсутствие уширения линии резонанса при охлаждении, что делает эти образцы весьма перспективными для исследований при низких температурах. Получен устойчивый мБЭК в условиях намагниченности плёнки ЖИГ в плоскости. Таким образом удаётся получить одновременно два состояния мБЭК из магнонов с к=0 и из бегущих магнонов. Данная суперпозиция мБЭК различной природы позволит разработать магнонный кубит на разнице энергий этих двух состояний.

Публикации

1. А. Д. Белановский, П. М. Ветошко, Ю. М. Буньков Micromagnetic modeling of magnon coherent states in a nonuniform magnetic field J. Phys.: Condens. Matter, 34 035802 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1088/1361-648X/ac2b69

2. Буньков Ю. М., Дуничев К. Ю.,Сафин Т. Р., Тагиров М. С. Magnon Quantization in the Magnetic Field Gradient Applied Magnetic Resonance, 52:1749–1756 (2021) (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1007/s00723-021-01418-y

3. Буньков Ю. М., Кузмичёв А. Н., Сафин Т. Р.,Ветошко, П. М.,Белотелов В. И., Тагиров М. С. Quantum paradigm of the foldover magnetic resonance Scientific Reports, 11,7673 (год публикации - 2021) https://doi.org/10.1038/s41598-021-87196-w

4. Кузмичев А., Белотелов В., Буньков Ю., Ветошко П., Попов А., Бержанский В., Шапошников А., Сабденов Ч., Кошелев А., Федоренко А. Identification of a new source of magnon relaxation in interface between epitaxial iron garnet ferrite films and GGG substrate Materials Research Bulletin, - (год публикации - 2021)

5. Петров П.Е., Князев Г.А. Оптимизация оптического метода анализа Бозе-Эйнштейновского конденсата магнонов в ЖИГ пленках Материалы Международного молодежного научного форума «ЛОМОНОСОВ-2021, М.: МАКС Пресс, 2021. (год публикации - 2021)

6. - ЯВЛЕНИЕ МАГНОННОЙ СВЕРХПРОВОДИМОСТИ ПОЛУЧЕНО ПРИ КОМНАТНОЙ ТЕМПЕРАТУРЕ «Научная Россия» - электронное периодическое издание, 14.05.2021 12:02 (год публикации - )

7. - Явление магнонной сверхпроводимости получено при комнатной температуре Газета.ру, 16 мая 2021, 17:39 (год публикации - )

8. - Явление магнонной сверхпроводимости получено при комнатной температуре Nano News Net, 16 мая, 2021 (год публикации - )

9. - Явление магнонной сверхпроводимости получено при комнатной температуре Коммерсантъ, 13.05.2021, 13:42 (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
Данный проект привел к открытию квантовых явлений в магнонном Бозе конденсате. Это первое сверхтекучее состояние вещества, существующее при столь высокой температуре. Получено несколько квантовых эффектов, таких как образование долгоживущего сигнала индукции, пространственный перенос намагниченности за счёт градиента фазы волновой функции, туннельный эффект, магнон-фононное когерентное состояние и другие. Данные эксперименты послужат базисом для разработки различных приборов на основе квантовой магноники и в первую очередь магнонных кубитов и процессоров. Работы нашего коллектива в этом направлении включены в дорожную карту по созданию квантовых технологий, под эгидой РосАтома (868-1.3-15/15-2021) Исследования причин релаксации магнонов в общепринятых образцах плёнок железо - иттриевого граната привели нас к открытию влияния гадолиния подложки на эти процессы. Нами разработан процесс изготовления образцов на другом субстрате, который исключает влияние гадолиния. Полученные впервые в мире образцы нового типа могут быть использованы в производстве приборов квантовой магноники, имеющие неоспоримые преимущества перед образцами, используемыми в мировой практике.