Теория и моделирование новых материалов

Объектами исследования являются функциональные материалы, обладающие несколькими параметрами порядка, такие как сверхтонкие магнитоэлектрические фрустрированные гетероструктуры, которые допускают существование достаточно стабильных топологически защищенных вихревых нанообъектов – скирмионов и решеток. Целью работы является разработка способов оптимального управления магнитным параметром порядка магнитоэлектрических и функциональных мультислойных материалов, поиск новых решений для сенсорных устройств, а также эффективной обработки и записи данных на основе топологически защищенных вихревых структур. Исследованы процессы формирования и условия стабильности скирмионной решетки при термодинамических флуктуациях в магнитоэлектрических пленках, а именно, в фрустрированном антиферромагнитном/сегнетоэлектрическом бислое на треугольной решетке. Предложена модель, которая допускает существование устойчивой скирмионной решетки, с помощью математического моделирования установлены диапазоны значений параметров взаимодействия и напряженности внешнего магнитного поля в магнитоэлектрическом бислое, при котором нетривиальные топологические магнитные структуры устойчивы в основном состоянии. Разработана методика расчета магнитных структур в данных системах на основе применения комплексного подхода с использованием методов микромагнитной симуляции с применением программного пакета OOMMF и расчетов на основе теории Гинзбурга - Ландау. Проведено исследование магнитоэлектрических эффектов, проявляющихся в процессе намагничивания и перемагничивания наноструктурированных магнитных пленок с взаимодействием Дзялошинского – Мория (вДМ). . На основе проведенных расчетов определены условия, необходимые для реализации магнитных структур различной топологии и соответствующих им полярных структур. Построены проекционные портреты, позволяющие осуществить отображение магнитных топологических структур на сегнетоэлектрические (полярные) структуры. Проанализировано влияние вДМ на магнитные конфигурации и полярные состояния наноструктур. Показано, что тип сегнетоэлектрических состояний (одно-полярных, би - полярных) определяется магнитной конфигурацией, которая в свою очередь зависит от вДМ и симметрии системы. В магнитоодноосных плёнках с колумнарным дефектом типа «потенциальная яма» в отсутствии магнитного поля были исследованы и другие типы магнитных скирмионов, а именно, так называемые «kπ-скирмионы», где k=0, 1, 2, 3, ….. Исследования показывают, что энергетически более выгоден π-скирмион, а 3π,5π- скирмионы существуют как метастабильные состояния. Согласно расчетам, область устойчивости практически не зависит от величины намагниченности насыщения в области дефектов. В то же время, исследования показывают, что обменный параметр в области дефекта A2 оказывает определённое влияние на границу области устойчивости: при его понижении (по сравнению с A1) кривая характеризующая нижнюю границу области по Q = Q1(R0) смещается вниз. Такое поведение кривой в зависимости от A2 объясняется тем, что уменьшение влияния обменного взаимодействия приводит к усилению вклада магнитостатических полей в общую энергию магнетика, что сказывается на области устойчивости скирмионов. Показано, что локализованные на перфорациях магнитной пленки плоские магнитные вихревые нанообъекты можно переводить между тремя относительно устойчивыми состояниями, реализуя тем самым перезаписываемый трит информации. Отсюда можно заключить, что перфорированная магнитная пленка является физической основой для создания носителей информации, данные на которых естественным образом представляются в троичной системе исчисления. Преимущества такого подхода перед традиционным бинарным представлением чисел вполне очевидны и могут обусловить как существенный прирост плотности записи данных, так и повышение скорости структурированного доступа к ним. Помимо этого экспериментальные исследования тонкопленочных гетероструктур привели к тому, что впервые на основе полученных тонких пленок аддуктов фуллерена С60, содержащих в своем составе фрагменты напряженных полициклических углеводородов, изготовлены органические полевые транзисторы методом вращающейся подложки из раствора. Основным преимуществом таких гибридных структур является их высокая электрическая стабильность, проявляющаяся в сохранении значении тока, протекающего через них при повторных измерениях.