• Исследование нелинейных динамических явлений в системах антиферромагнитных спинтронных осцилляторов

  Руководитель направления Сафин Ансар Ризаевич стар. науч. сотр., к.т.н. эл. почта: [email protected] тел.: +7 (906) 065-60-45

  
  

  К настоящему времени основными активными элементами спинтроники являются ферромагнитные (ФМ) материалы (например, железо-иттриевый гранат). Однако, с прикладной точки зрения антиферромагнетики, слабые ферромагнетики и ферримагнетики имеют преимущества перед ФМ. В частности, АФМ-структуры имеют малую (в ряде случаев практически нулевую) намагниченность, т.е. не создают внешних магнитных полей. Следовательно, АФМ-элементы практически не взаимодействуют друг с другом посредством магнитного поля. Частоты АФМ-колебаний на порядки превышают частоты ФМ, что дает возможность создавать сверхбыстрые (с частотами в сотни и тысячи ГГц) устройства функциональной электроники [Б.А. Иванов. Спиновая динамика антиферромагнетиков и сверхбыстрая спинтроника // ЖЭТФ. 2020. Т. 158, вып. 1 (7). С. 103-123]. Полупроводниковые АФМ встречаются гораздо чаще, чем ФМ, что позволяет сочетать преимущества как спинтроники (малое энергопотребление, высокие частоты), так и полупроводниковой электроники (простоту технологической реализации, легкую управляемость и т. д.). Важным свойством АФМ является то, что в них наблюдается обменное усиление их динамических параметров. Это приводит к большим значениям скорости движения доменных стенок, скирмионов (десятки и сотни километров в секунду) и большим значениям рабочих частот АФМ-резонанса. Отметим «немагнитные» свойства некоторых АФМ. Например, борат железа прозрачен в оптическом диапазоне и в нем проявляется сильный эффект Фарадея, а гематит обладает сильной магнитоупругой связью. Совокупность этих свойств АФМ обусловливает широкие возможности их практического применения для создания электронной компонентной базы на новых физических принципах.

  Публикации:
  • Popov P.A., Safin A.R., Kirilyuk A., Nikitov S.A., Lisenkov I., Tyberkevich V., and Slavin A. Voltage-Controlled Anisotropy and Current-Induced Magnetization Dynamics in Antiferromagnetic-Piezoelectric Layered Heterostructures // Physical Review Applied. – 2020. – Vol. 13. – No. 044080. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.044080
  • Kozlova E.E., Safin A.R., Nikitov S.A. Ferrimagnet based spin Hall detector of subterahertz frequency signals // Appl. Phys. Lett. - 2022. - Vol. 121, № 192404. DOI: 10.1063/5.0112050
  • Safin A.R., Nikitov S.A., Kirilyuk A.I., Tyberkevych V.S., Slavin A.N. Theory of Antiferromagnet-Based Detector of Terahertz Frequency Signals // Magnetochemistry. – 2022. - Vol. 8 (2). No. 26. - P. 1-11. DOI: 10.3390/magnetochemistry8020026

• Нелинейная магнон-фононика

  Руководитель направления Калябин Дмитрий Владимирович стар. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта:[email protected] тел.: +7 (960) 722-80-26

  
  

  Теоретическое и экспериментальное исследование механизмов влияния токов, механических напряжений и электрических потенциалов, оптического возбуждения на свойства проводящих и диэлектрических антиферро- и ферримагнетиков, имеющих собственные частоты в диапазоне от единиц гигагерц до десятков терагерц. Основной целью этого направления является получение фундаментальных результатов о магнон-фононном переходном состоянии, возникающем после резонансной накачки различных фононных режимов, чтобы научиться применять ее для переключения параметров порядка в магнитоупорядоченных кристаллах. Также магнитоупругий резонанс способен существенным образом изменять волноводные свойства гетероструктур. А статические наведенные деформации в многослойных гетероструктурах магнетик/пьезоэлектрик могут быть применены для управления магнитной анизотропией электрическими напряжениями.

  Возможные схемы управления намагниченностью непосредственным воздействием магнитного поля и посредством деформаций, а именно за счет механического напряжения, пьезоэлектрического эффекта, фото- и термоиндуцированных эффектов. Бухараев А.А., Звездин А.К., Пятаков А.П., Фетисов Ю.К. Стрейнтроника — новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах // УФН. - 2018. - Т. 188, № 12. - С. 1288-1330. DOI: 10.3367/UFNr.2018.01.038279

  Таким образом предлагаемое направление может расширить возможности управления магнитной подсистемой на микро- и наномасштабах. В ряде задач возможно существенное повышение быстродействия систем, улучшение энергоэффективности или миниатюризация итоговых структур.

  Публикации:
  • Vilkov E., Byshevski-Konopko O., Stremoukhov P., Safin A., Logunov M., Kalyabin D., Nikitov S., Kirilyuk A. Magnetic domain wall motion driven by an acoustic wave // Ultrasonics. - 2022. - Vol. 119. - P. 106588. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106588
  • Dai T., Kalyabin D.V., Nikitov S.A. Hypersonic magnetoelastic waves in inhomogeneous structures // Ultrasonics. - 2022. - Vol. 121. - P. 106656. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106656
  • T.V. Bogdanova, D.V. Kalyabin, A.R. Safin and S.A. Nikitov. Modelling of coupled magnetoelastic waves in structure containing thin antiferromagnetic films on an elastic substrate // J. Phys. D: Appl. Phys. - 2023. - V. 56. - P. 205301. DOI: 10.1088/1361-6463/acc4d3

• Исследование теоретических и экспериментальных методов усиления спинового тока в магнонных гетероструктурах

  Руководитель направления Волков Дмитрий Андреевич инженер, аспирант эл. почта: [email protected] тел.: +7 (909) 907-13-72

  
  

  Для создания нового поколения поколения устройств СВЧ и терагерцовой электроники на элементной базе магнонной спинтроники (резонаторов, фильтров, линий задержки, интерферометров, комбайнеров, разветвителей, кольцевых генераторов, магнонных кристаллов, делителей мощности) критически важным является решение проблемы эффективной генерации и детектирования сигналов. Одним из предлагаемых механизмов, является использование прямого и обратного спинового эффекта Холла в гетероструктурах вида магнитная пленка/тяжелый металл. В первом случае, при протекании электрического тока через слой тяжелого металла (например, платина) происходит разделение зарядов по спину, а значит в поперечном направлении начинает течь чисто спиновый ток. Инжекция спинового тока в магнитный слой, в зависимости от величины, позволяет компенсировать потери или даже вызывать автоколебания магнитной подсистемы на собственных частотах. Во втором случае, магнитный слой в условиях резонанса осуществляет спиновую накачку в проводящую подложку, где спиновый ток преобразуется в поперечный зарядовый. Этот случай и реализован в экспериментальной установке на рисунке ниже. Она пригодна для измерений образцов, обладающих магнитными свойствами при комнатной температуре.

  Установка по измерению обратного спин-холловского напряжения в гетероструктуре вида антиферромагнетик/тяжелый металл (например, FeBo3/Pt), помещенной в ферромагнитный резонанс.

• Продемонстрирована возможность перестройки рабочей частоты терагерцового антиферромагнитного осциллятора за счет наведенной электрическим напряжением статической деформации. Эффективная магнитная анизотропия меняется благодаря тому, что электрическое напряжение поляризует и деформирует пьезоэлектрик, а пьезоэлектрик, в свою очередь, сжимает антиферромагнитный слой. Магнитострикционные поправки к магнитной анизотропии могут как составлять существенную величину, так и превосходить ее, вызывая спин-периориентационный переход.

  a)	b)

  Рис. 1. а) Схематичное изображение антиферромагнитного осциллятора, содержащего прослойку пьезоэлектрика и слой тяжелого металла, через который осуществляется инжекция спинового момента; b) понижение пороговой величины спинового тока при которой начинаются автоколебания при наведении механических деформаций (черная кривая).

  Popov P.A., Safin A.R., Kirilyuk A., Nikitov S.A., Lisenkov I., Tyberkevich V., and Slavin A. Voltage-Controlled Anisotropy and Current-Induced Magnetization Dynamics in Antiferromagnetic-Piezoelectric Layered Heterostructures // Physical Review Applied. – 2020. – Vol. 13. – No. 044080. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.13.044080





• Продемонстрированы новые магнитные волноведущие гетероструктуры, позволяющие эффективно возбуждать спиновые волны стандартными методами акустоэлектроники. Показана возможность такого подбора материалов, которая не только обеспечивает хорошее преобразование акустических колебаний в магнитные, но и совместимость со стандартными полупроводниковыми подложками КМОП-схемотехники. Таким образом достигается возможность создания гибридных КМОП схем и схем на принципах магнонной логики на одном чипе.

  Рис. 2. Многослойная магнитная гетероструктура вида пьезоэлектрик/ферромагнетик/немагнитная подложка. Встречно-штыревые преобразователи возбуждают поверхностные акустические волны, которые в определенных областях структуры, в зависимости от величины магнитного поля, начинают возбуждать спиновые волны.

  Dai T., Kalyabin D.V., Nikitov S.A. Hypersonic magnetoelastic waves in inhomogeneous structures // Ultrasonics. - 2022. - Vol. 121. - P. 106656. DOI: 10.1016/j.ultras.2021.106656





• Построена теория антиферромагнитного детектора терагерцовых колебаний. Преобразование терагерцовых электромагнитных волн в постоянное напряжение реализовано с помощью обратного спинового эффекта Холла на границе антиферромагнетик/тяжелый металл. Насыщающее постоянное магнитное поле может быть использовано для перестройки детектируемой резонансной частоты. Полученные результаты могут быть полезны для разработки перестраиваемых спинтронных детекторов с высокой разрешающей способностью, основанных на антиферрромагнитном резонансе.

  Рис. 3. a) Схема детектора ТГц электромагнитных волн на основе гетероструктуры антиферромагнетик/тяжелый металл. b) В зависимости от перестраиваемого постоянного магнитного поля, детектор резонансным образом возбуждается на определенной частоте, генерируя постоянное электрическое напряжение.

  Safin A.R., Nikitov S.A., Kirilyuk A.I., Tyberkevych V.S., Slavin A.N. Theory of Antiferromagnet-Based Detector of Terahertz Frequency Signals // Magnetochemistry. – 2022. - Vol. 8 (2). No. 26. - P. 1-11. DOI: 10.3390/magnetochemistry8020026

Калябин Д.В. и Сафин А.Р. читают два курса лекций - «Основы магнетизма» и «Наномагнетизм и спинтроника» студентам НИУ ВШЭ, Факультет физики, Базовая кафедра «Наноэлектроника и фотоника» при ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН

В настоящий момент сотрудники лаборатории принимают участие в качестве исполнителей и руководителей в следующих НИР:
РНФ:
1) 19-19-00607
Гетероструктуры для спинтроники и магноники в условиях отсутствия или применения слабого внешнего магнитного поля
2019-2023 (Исполнители)

2) 21-79-10396
Разработка компонентной базы субтерагерцевой электроники на основе антиферромагнитных гетероструктур
2021-2024 Сафин А.Р. - руководитель

3) 23-79-00016
Сверхбыстрая нелинейная магнон-фононика
2023-2026 Калябин Д.В. - руководитель