Спин-волновой транспорт в реконфигурируемых структурах ферромагнетик/антиферромагнетик для невзаимных устройств мультиплексирования информационного сигнала

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 проекта 23-29-00610

НазваниеСпин-волновой транспорт в реконфигурируемых структурах ферромагнетик/антиферромагнетик для невзаимных устройств мультиплексирования информационного сигнала

Руководитель Шешукова Светлана Евгеньевна, Кандидат физико-математических наук

Организация финансирования, регион федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского" , Саратовская обл

Конкурс №78 - Конкурс 2022 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований малыми отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 09 - Инженерные науки; 09-701 - Электронная элементная база информационных систем

Ключевые слова магноника, спинтроника, магнонные кристаллы, спиновые волны, Fe-Rh, железо-итриевый гранат, ферромагнетик, антиферромагнетик

Код ГРНТИ29.19.41

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Проект направлен на создание и исследование управляемых локальным магнитным полем композитных магнонных структур: ферромагнитная пленка/антиферромагнетик. Рассматриваемый класс структур является важным при создании устройств спин-волновой логики на основе управляемой фазовыми переходами в антиферромагнитных слоях интерференции спиновых волн в ферромагнитном слое. В проекте планируется использование концепции планарных латеральных магнонных структур на основе ферромагнитных(ФМ) плёнок вместе с локально управляемыми антиферромагнитными (АФМ) элементами. Управление пространственно-частотной селекцией спиновых волн в в ферромагнитной подсистеме предложенных структур будет осуществлено локально наведенным магнитным полем антиферромагнитного слоя Fe-Rh в результате АФМ-ФМ фазового перехода при облучении слоя Fe-Rh сфокусированным лазерным излучением и/или приложением постоянного электрического поля к пьезослою, находящемуся в жесткой связи с ФМ-АФМ системой. Слой пьезоэлектрика при этом наводит сосредоточенные упругие деформации, что позволяет добиться локальности пространственной области в АФМ слое, внутри которой имеет место фазовый переход. В первый год выполнения проекта будут исследованы слоистые структуры на основе плёнок железо-иттриевого граната (ЖИГ) и слоёв Fe-Rh. Локальное изменение свойств слоя Fe-Rh будет приводить к локальному изменению свойств ЖИГ, что будет обуславливать возможность управления амплитудой и фазой сигнала в слоистой структуре. Во второй год планируется исследование свойств невзаимности спин-волнового сигнала в двуслойной интерфейсной структуре ЖИГ/Fe-Rh, изготовленной методом напыления АФМ слоя на латеральную ФМ структуру. Тополология латеральной системы на поверхности ФМ пленки обеспечивает эффекты управляемой дипольной связи спиновых волн, распространяющихся в сосредоточенных ФМ элементах, расположенных на одной подложке. При этом предлагается разработать концепцию многоканального управляемого де/мультиплексора спин-волнового сигнала, на основе интерфейсных эффектов возникающих на границе раздела ФМ/АФМ. Проект будет состоять из технологической части, посвящённой созданию слоистых и интерфейсных структур. В теоретической части проекта планируется выявление механизмов двойного управления латеральным спин-волновым транспортом: путем локальной вариации поля подмагничивания, путем использования локального лазерного облучения. Для рассматриваемых эффектов будут построены модели на основе микромагнитного моделирования процессов распространения спиновых волн в многослойной ФМ/АФМ спин-волноведущей структуре. В экспериментальной части проекта будет проведено измерение изготовленных структур методом микроволновой и Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии с пространственным и временным разрешением. Предложенные структуры могут найти применение для устройств спин-волновой логики на основе градиентных, латеральных и вертикальных топологий магнонных сетей, выполняющих функции генерации и обработки информационного сигнала.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Пташенко А.С. , Одинцов С.А., Садовников А.В. Распространение спиновых волн в низкочастотном и высокочастотном диапазонах в многослойных магнонных кристаллах СПбГЭТУ «ЛЭТИ» 197022, С.-Петербург, ул. Профессора Попова, 5, лит. Ф, XII Всероссийская научно-техническая конференция "Электроника и микроэлектроника СВЧ". Сборник докладов. Санкт-Петербург. 29 мая - 2 июня 2023 г. СПб.: СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 646 с. (год публикации - 2023)

2. Одинцов С.А., Пташенко А.С., Локк Э.Г., Бегинин Е.Н., Садовников А.В. Nonreciprocal modes of selection of spin waves in the low-frequency and high-frequency ranges in multilayer magnonic crystals Крымский федеральный университет им. В.И. Вернадского, Форос, Крым, c. 66-67 (год публикации - 2023)

3. Одинцов С.А., Пташенко А.С., Бегинин Е.Н., Амиров А.А., Локк Э.Г., Садовников А.В. Селекция спиновых волн в многослойных магнонных кристаллах со слоем Fe-Rh Издательство “Техно-Декор”, Саратов, с.147-148 (год публикации - 2023)

4. Пташенко А.С., Одинцов С.А., Саломатова Е.И., Садовников А.В. Управление распространением спиновых волн в структуре YIG/FeRh Издательство “Техно-Декор”, Саратов, с. 147-148 (год публикации - 2023)

5. Одинцов С.А., Пташенко А.С., Локк Э.Г., Бегинин Е.Н., Садовников А.В. Распространение спиновых волн в многослойном магнонном кристалле ИПФ РАН, Нижний Новгород, т1. с 259-260 (год публикации - 2023)

6. Одинцов С.А., Пташенко А.С., Локк Э.Г., Бегинин Е.Н., Садовников А.В. Распространение невзаимных спиновых волн в многослойном магнонном кристалле Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Физика твердого тела, 2023, том 65, выпуск 6, 1002-1003 (год публикации - 2023)

7. Пташенко А.С., Одинцов С.А.,. Саломатова Е.И, Амиров А.А., Садовников А.В. Пространственное деление спиноволнового сигнала в микроволноводе на основе структуры ферримагнетик/антиферромагнетик Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Физика твердого тела, 2023, том 65, вып. 10, 1746-1750 (год публикации - 2023)
10.61011/FTT.2023.10.56322.163

8. Бубликов К.В., Шешукова С.Е., Бегинин Е.Н., Тапайна М., Грегусов Д., Крылов С.Н., Стогний А.И., Корчагин С.А., Никитов С.А., Садовников А.В. Исследование оптически индуцированного формирования магнонных зон в структуре ЖИГ | периодический арсенид галлия Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, Санкт-Петербург, Физика твердого тела, 2023, том 65, вып. 7 (год публикации - 2023)
10.21883/FTT.2023.07.55838.32H

9. Одинцов С.А. , Пташенко А.С. , Садовников А.В. Исследование динамики спиновых волн в связанной латеральной структуре со слоем металла МИРЭА - Российский технологический университет, Труды НМММ 2024, С. 333 (год публикации - 2024)

10. Пташенко А.С. , Одинцов С.А. , Шешукова С.Е., Садовников А.В.. Пространственное управление спиновыми волнами в микроволноводах на основе YIG/FeRh Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород), т.1, С. 340-341 (год публикации - 2024)

11. Пташенко А.С. , Одинцов С.А., Садовников А.В.. Невзаимное распространение спиновых волн в магнонной структуре с металлическим слоем Федеральный исследовательский центр Институт прикладной физики им. А.В. Гапонова-Грехова РАН (Нижний Новгород), т.1, С. 316-317 (год публикации - 2024)

12. Одинцов С.А., Шешукова С.Е., Никитов С.А., Садовников А.В. Bilayer magnonic crystal directional coupler: interlayer spin-wave coupling and formation of localized beams within three-dimensional magnonic architecture Physical Review Applied (год публикации - 2024)

13. Одинцов С.А. , Пташенко А.С. , Садовников А.В. Невзаимное распространение спиновых волн в магнонной структуре из двух волноводов с латеральной связью, покрытых металлическим слоем ФТИ им. А.Ф.Иоффе, 66(8), 1283-1287 (год публикации - 2024)
10.61011/FTT.2024.08.58589.55HH

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Исследовательский проект направлен на изучение и создание композитных магнонных структур с возможностью управления локальным магнитным полем и тепловыми эффектами. Одной из ключевых задач второго года работы над проектом является анализ свойств многослойных структур Fe-Rh/ЖИГ (железо-иттриевый гранат) с учетом невзаимности спиновых волн и разработка способов контроля их характеристик для создания функциональных устройств на основе магнонов. Во втором году работы над проектом были созданы математические модели сложных структур Fe-Rh/ЖИГ, учитывающие поведение спиновых волн при фазовом переходе первого рода в слое Fe-Rh. Использование программного обеспечения COMSOL Multiphysics позволило учесть неоднородности магнитного поля и намагниченность, что имеет важное значение для исследования возникновения запрещенных зон и воздействия невзаимосвязи спиновых волн. Проведенные расчеты показали, что температурный диапазон от 300 до 400 К позволяет успешно контролировать спектр спиновых волн благодаря фазовому переходу Fe-Rh из антиферромагнитного состояния в ферромагнитное состояние. Были определены лучшие условия для фильтрации и обработки сигналов с возможностью управления демультиплексированием в пространственно-частотном режиме. Для создания экспериментальных образцов был использован метод магнетронного напыления сформировать слои Fe-Rh с высокой степенью кристаллической упорядоченности. Параллельно проведено численное моделирование влияния структуры магнонного кристалла (МК) на формирование запрещённых зон в ферромагнитных плёнках. Изучены параметры периодических каналов для создания МК и их влияние на характеристики дисперсии спиновых волн. Экспериментальные исследования методом Бриллюэновской спектроскопии Мандельштама (BLS) подтвердили полученные теоретические данные и показали изменение частотной области запрещённых зон в зависимости от температуры и геометрии структуры. Показано, что величина разности центральных частот стоксового и антистоксового пика в спектре неупругого рассеяния меняет знак вблизи точки перехода, при изменении фазы FeRh, при этом разность между величинами ширин стоксового и антистоксового пиков также меняется вблизи точки перехода. При этом оказывается возможным контроль частоты резонанса в слое FeRh, что далее будет использоваться для управления частотами и режимами распространения спиновых волн в структурах на основе пленок YIG/FeRh. Применение точной лазерной абляции для создания микроволновых волноводов обеспечивает необходимую точность и стабильность формы для изучения динамики спиновых волн. Особое внимание было уделено изучению термически возбужденных магнонов. Лазерный нагрев слоя Fe-Rh позволил наблюдать фазовые переходы и их влияние на параметры спиновых волн. Установлено, что локальное изменение температуры в слое Fe-Rh приводит к контролируемому изменению спектра спиновых волн, включая сдвиг частотных диапазонов и расширение запрещённых зон. Эксперименты показали, что охлаждение восстанавливает исходные параметры структуры, подтверждая обратимость процесса. Эти результаты открывают перспективы разработки магнонных устройств с высокой точностью управления, таких как фильтры и переключатели. Результаты второго года включают интеграцию системы прецизионных подвижек для экспериментов с BLS, что обеспечило точное позиционирование образцов и повышение воспроизводимости измерений. Кроме того, проведён комплексный анализ пространственно-частотных характеристик спиновых волн, что позволило сформировать научно-технический задел для создания энергоэффективных магнонных устройств. Научные результаты второго года работы над проектом демонстрируют значительный прогресс в создании магнонных структур для применения в телекоммуникациях, квантовых вычислениях и микроэлектронике. Разработанные методы управления и созданные устройства закладывают основу для последующих исследований и интеграции магнонных технологий в современные электронные системы.

Публикации

Возможность практического использования результатов
Результаты, достигнутые в рамках выполнения проекта, обладают значительным потенциалом для практического использования в экономике и социальной сфере. Разработанные структуры на основе композитных магнонных материалов, таких как многослойные системы Fe-Rh/ЖИГ с магнонным кристаллом, обеспечивают возможность создания энергоэффективных устройств для обработки, фильтрации и маршрутизации сигналов в телекоммуникационных и информационных системах. Эти технологии обладают высоким уровнем устойчивости к электромагнитным помехам, что особенно актуально для применения в космической и оборонной промышленности. Одним из ключевых направлений практического использования является развитие магнонной логики, способной обеспечить создание альтернативы современным микроэлектронным устройствам с существенно меньшими энергозатратами. Магнонные устройства позволяют реализовывать высокоскоростную параллельную обработку информации с минимальным уровнем тепловыделения, что актуально для увеличения производительности вычислительных систем и снижения энергопотребления. Полученные результаты могут быть интегрированы в производство усовершенствованных магнонных фильтров, переключателей и логических элементов. Это обеспечит разработку более эффективных систем обработки сигналов, применяемых в современных телекоммуникационных технологиях, включая 5G-сети и перспективные стандарты связи, а также в системах квантовых вычислений. Внедрение таких технологий в производство может способствовать развитию новых рынков высокотехнологичной продукции. Технологическая база, созданная в рамках проекта, включает методы магнетронного напыления, лазерной абляции и точного численного моделирования. Эти достижения могут быть использованы для разработки и оптимизации новых материалов и устройств для инфотелекоммуникаций, систем управления и сенсорных технологий. Разработка методов управления спин-волновыми сигналами с помощью локальных фазовых переходов в антиферромагнитных слоях открывает новые горизонты в создании адаптивных магнонных систем для интеллектуальных сенсоров, использующихся в медицине, экологии и промышленности. С точки зрения социальной значимости, проект способствует подготовке высококвалифицированных специалистов, что напрямую влияет на развитие кадрового потенциала Российской Федерации. Участие в проекте студентов, аспирантов и молодых учёных создает условия для формирования новых научных школ в области магноники и спинтроники. Это содействует укреплению позиций отечественной науки на международной арене и обеспечивает устойчивый вклад в инновационное развитие страны. В целом, результаты проекта формируют научно-технологическую базу для развития отечественных технологий обработки и передачи информации, что в перспективе может способствовать повышению экономической конкурентоспособности и технологического суверенитета Российской Федерации.