Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведено атомистическое моделирование спиновой динамики в нанослоях антиферромагнетика Mn2Au при воздействии спин-орбитального вращающего момента (spin-orbit torque - SOT), порождаемого электрическим током. Исследовано влияние неелевского вращающего момента (staggered SOT), создаваемого протекающим в слое Mn2Au зарядовым током, и воздействие спинового тока, генерируемого за счет спинового эффекта Холла в прилегающей пленке Pt. Моделирование одиночного нанослоя Mn2Au подтвердило возможность 90-градусной переориентации вектора Нееля, которую можно обнаружить через анизотропное магнетосопротивление. Уменьшение магнитокристаллической анизотропии с ростом температуры существенно снижает плотность тока, необходимую для переориентации. Для двойного слоя Mn2Au/Pt продемонстрировало возбуждение авто-осцилляций вектора Нееля постоянным электрическим током. Осцилляции создаются диссипативным SOT, обусловленным спиновой аккумуляцией внутри слоя Mn2Au, порождаемой спиновым током в Pt. В наноструктуре Py/Mn2Au/Py постоянный электрический ток индуцирует взаимосвязанные осцилляции вектора Нееля Mn2Au и намагниченностей слоев Py. Эти осцилляции приводят к 90-градусной переориентации вектора Нееля и затухают со временем. При увеличении отношения толщин нанослоев Mn2Au и Py время переориентации падает с 20 пс до 2 пс, а частота прецессии вектора Нееля возрастает с 250 ГГц до 1.5 ТГц. Таким образом, продемонстрирована генерация коротких импульсов высокочастотной антиферромагнитной динамики с помощью постоянного тока. Впервые описана магнитоупругая динамика, возбуждаемая в антиферромагнетике постоянным электрическим током. Микромагнитное моделирование структуры MgO/NiO/Pt выявило возбуждение взаимосвязанных автоосцилляций вектора Нееля и акустических фононов при достижении пороговой плотности тока в платине. Из-за магнитоупругого взаимодействия автоосцилляции спинов порождают колебания кристаллической решетки NiO с удвоенной частотой. Эти колебания существенно снижают частоту автоосцилляций вектора Нееля, которая линейно возрастает с увеличением плотности тока. Предсказана возможность генерации терагерцовых продольных и поперечных упругих волн в немагнитном материале с помощью присоединенного антиферромагнитного наноосциллятора. Выполнено атомистическое моделирование антиферромагнитной гетероструктуры с электрочувствительной магнитной анизотропией для [001]-ориентированной пленки Mn2Au с перпендикулярной интерфейсной анизотропией, создаваемой диэлектриком. Периодические изменения величины интерфейсной анизотропии, порождаемые переменным электрическим полем в диэлектрике, индуцируют осцилляции направления вектора Нееля в Mn2Au. Амплитуда осцилляций немонотонно зависит от частоты поля, достигая максимума при резонансной частоте приповерхностного слоя Mn2Au. Впервые продемонстрировано возбуждение спиновых волн в антиферромагнетике с помощью модуляции интерфейсной анизотропии. Описана спиновая динамика, возбуждаемая в монокристалле NiO и гетероструктуре MgO/NiO/Pt продольными и поперечными упругими волнами. Инжектируемая в NiO монохроматическая волна порождает в нем две антиферромагнитные спиновые волны той же частоты, имеющие разную длину, амплитуду и скорость. Это «вынужденная» спиновая волна с длиной и скоростью, задаваемыми упругой волной, и «свободная» спиновая волна, обладающая дисперсией антиферромагнитных магнонов. Поскольку последняя пересекается с дисперсией продольных упругих волн, выявлена генерация в NiO магнитоупругих волн с частотами, близкими к частоте пересечения. Моделирование гетероструктуры MgO/NiO/Pt позволило рассчитать спиновый ток, возникающий в платине из-за прецессии спинов в NiO. Амплитуда переменной компоненты этого тока на границе слоя Pt составляет порядка 5000 нДж/м2 при частоте прецессии, равной 1.1 ТГц. Исследована лазерно-индуцированная генерация поверхностных акустических волн в плёнке антиферромагнетика FeRh на подложке MgO. При воздействии лазерными импульсом в FeRh индуцировался струкутрный переход. Характерные времена перестройки кристаллической решётки позволяют ожидать, что такая трансформация будет давать вклад в генерацию импульсов поверхностных акустических волн. Методикой интерферометрии Саньяка удалось наблюдать динамические сдвиги приповерхностных атомов в процессе распространения индуцированных акустических импульсов. Была идентифицирована лазерно-индуцированная волна Релея с амплитудой, имеющей вклад от лазерно-индуцированного структурного перехода. Таким образом, мы осуществили генерацию пакета поверхностных акустических волн, распространяющихся в антиферромагнетике и имеющих увеличенную амплитуду. Показано 2-х кратное увеличение эффективности генерации однопериодных импульсов ТГц излучения в структуре спинтронного эмиттера Co/Pt с 1.2-нм градиентным интерфейсом. Увеличение эффективности связано с почти 3-х кратным увеличением пропускания спин-поляризованного тока градиентным интерфейсом по сравнению с резким. Полученные результаты открывают возможности по оптимизации спинтронных эмиттеров ТГц импульсов за счёт подбора оптимальной толщины и резкости градиента концентрации на интерфейсах между ферромагнитным слоями и слоями немагнитных или антиферромагнитных металлов с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Проведено теоретическое исследование оптического детектирования когерентных двухмагнонных мод в антиферромагнетиках. Такие моды могут быть индуцированы изменением обменного взаимодействия при импульсных оптических, электрических или деформационных воздействиях, и являются прямым способом изучения таких изменений. Мы предложили теоретическое описание когерентных и некогерентных двухмагнонных мод в кубическом антиферромагнетике в терминах псевдовектора спиновых корреляций и эффективных обменных полей. Мы получили аналитические выражения для спектров оптически-детектируемых двухмагнонных мод в экспериментах накачки-зондирования и в стандартных экспериментах по комбинационному рассеянию света и выявили ряд особенности спектров когерентных двухмагнонных мод.

Аннотация результатов, полученных в 2025 году
Выполнено атомистическое моделирование гетероструктур «тяжелый металл-антиферромагнетик-диэлектрик»с интерфейсными взаимодействием Дзялошинского-Мории и магнитнаой анизотропией. Показана возможность образования в таких антиферромагнитных структурах полидоменных состояний и скирмионов. Для (001)-ориентированных нанопластинок сплава Mn2Au с сильной легкоплоскостной анизотропией показано, что для формирования устойчивых спиновых текстур в этом коллинеарном антиферромагнетике требуется наличие значительной перпендикулярной интерфейсной анизотропии. Исследована динамика антиферромагнитных доменных стенок и скирмионов, возникающая в Mn2Au под действием периодических изменений перпендикулярной интерфейсной анизотропии, создаваемых приложенным к диэлектрику электрическим напряжением. Показано, что такие изменения порождают смещения антиферромагнитных доменных стенок и осцилляции размера скирмиона. Создание нескольких устойчивых спиновых текстур и электрически индуцированные переходы между ними открывают возможность многоуровневого переключения электрического сопротивления в проводящих антиферромагнитных гетероструктурах с интерфейсным взаимодействием Дзялошинского-Мории. Атомистическое моделирование двойного слоя FeRh/MgO с электрочувствительной интерфейсной анизотропией показало, что приложенное к слою MgO синусоидальное электрическое поле возбуждает стационарную прецессию спинов вблизи интерфейса FeRh|MgO, которая порождает затухающую или бегущую спиновую волну в антиферромагнитной пленке FeRh. Амплитуда монохроматической спиновой волны зависит от частоты поля и максимальна при частоте 33 ГГц, близкой к резонансной частоте слоя FeRh, примыкающего к интерфейсу. Определено дисперсионное соотношение бегущих антиферромагнитных волн и длина их затухания в пленке FeRh. Оказалось, что в такой антиферромагнитной пленке можно генерировать спиновые волны с высокими частотами порядка 100 ГГц и большими длинами затухания порядка 300 нм. Таким образом, показано, что электрическое возбуждение структуры FeRh/MgO создает возможность энергоэффективной генерации высокочастотных антиферромагнитных магнонов. В рамках теоретических исследований электрически индуцированного переключения параметра порядка в антиферромагнитных оксидах выполнено микромагнитоупругое моделирование двойного слоя NiO/Pt, подвергаемого воздействию пикосекундных импульсов электрического тока. Показано, что импульсы с амплитудой, превышающей определенное пороговое значение, индуцируют переориентации направления вектора Нееля пленки NiO даже при нулевой абсолютной температуре. При этом тепловые флуктуации слабо влияют на пороговую амплитуду импульса, а измененная ориентация вектора Нееля остается устойчивой к тепловому шуму при температурах вплоть до 400 К. Проведено микромагнитоупругое моделирование динамики доменных стенок и скирмионов, индуцируемой в антиферромагнитных плёнках высокочастотными упругими волнами и пикосекундными деформационными импульсами. Численные расчеты выполнены для двойного слоя NiO/Pt, в котором присутствует интерфейсное взаимодействие Дзялошинского-Мории. Показано, что приложение статических деформаций двухосного растяжения или сдвига в плоскости магнитоупругой плёнки NiO приводит к формированию в ней антискирмионов и полосовых антиферромагнитных доменов, соответственно. Описаны динамические отклики этих спиновых текстур на синусоидальные изменения деформаций пленки и деформационные импульсы. Установлено, что эти воздействия порождают осцилляции размера антискирмиона и колебательное движение доменных стенок, приводящее к изменению ширины доменов. Продемонстрирован терагерцовый магнитоэлектрический эффект Фарадея в редкоземельном феррите-гранате Ho3Fe5O12 – нескомпесированном антиферромагнетике. Образец возбуждался пикосекундным импульсом ТГц излучения и исследовалось вращение плоскости поляризации короткого оптического импульса, проходящего через образец после возбуждения. Наблюдался поворот плоскости поляризации, осциллирующий на ТГц частотах. Спектральный и симметрийный анализ показал, что энергия ТГц импульса резонансно поглощается на f-f переходах в ионах Ho. При этом в среде возникает электрическая поляризация, осциллирующая на соответствующих ТГц частотах. Эта поляризация за счёт магнитоэлектрической связи вызывает эффект Фарадея. Важно, что эффект наблюдался только при неколлинеарном магнитном упорядочении, вызваном конкурирующими антиферромагнитным и спин-орбитальным взаимодействиями. Демонстрация магнитоэлектрического взаимодействия на ТГц частотах – важный шаг в исследовании возможностей создания ТГц устройств обработки информации. Двухмагнонные моды – две связанные спиновые волны с противоположными волновыми векторами в антиферромагнетиках - можно возбуждать когерентно короткими импульсами излучения в оптическом и, потенциально, ТГц диапазонах, причём основной вклад в наблюдаемую динамику дают волны с минимально возможными длинами волн и ТГц частотами. Известно, что для таких мод важную роль играют многомагнонные процессы рассеяния. Мы впервые выявили экспериментально и описали теоретически в рамках квантовомеханической модели процесс возбуждения и детектирования когерентных двухмагнонных мод с учётом рассеяния. В эксперименте мы выявили соответствующие особенности спектра когерентных двухмагнонных мод, а в теоретической части мы вывели аналитические выражения для описания этого процесса. Полученные результаты необходимы для реализации когерентного контроля двухмагнонных мод. Ранее мы продемонстрировали, что антиферромагнетик Fe3BO6 можно переключить из фазы с одной ориентацией антиферромагнитного вектора в фазу с другой ориентацией коротким оптическим импульсом, причём скорость и полнота переключения контролируются оптическим изменением взаимодействия Дзялошинского-Мории. На данном этапе, используя методику фемтосекундной спектроскопии, мы показали, что сверхбыстрое изменение параметра взаимодействия Дзялошинского-Мории основано на двухфотонном поглощении света и имеет нетермическую природу.