Многоуровневые магнонные сети с управляемыми локальными деформациями элементами межсоединений для обработки информационного сигнала на нейроморфных принципах

Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи, связанной с выявлением особенностей влияния магнитоупругих эффектов на процессы генерации, распространения и взаимодействия спиновых волн в магнитных пленках и структурах c градиентами внутренних параметров. Концепция кодирования сигнала в виде спиновых волн используется для создания элементов памяти, обработки и передачи информационного сигнала на нейроморфных принципах. В рамках выполнения проектабыли разработаны численные модели проведены работы по изготовлению структур, разработке программ численного моделирования и экспериментальные работы по исследованию свойств сприновых волн в многосвязных мультиферроидных магнонных структурах: 1) На основе проведенных численных расчетов характеристик распространения спиновых спайков (импульсов спиновых волн) в 3D-архитектуре типа "ферромагнетик-немагнитный слой" (FM-NM) с заданной топологией входных и выходных элементов выявлены механизмы передачи информационного сигнала, закодированного в виде амплитуды и фазы спиновой волны. Разработана топология и определены геометрические размеры спин-транспортного элемента пониженной размерности на основе тонких магнитных пленок с управлением упругими деформациями. С помощью численных и экспериментальных исследований продемонстрирована возможность управления дипольной спин-волновой связью в латеральном массиве ферромагнитных полосок с помощью локальных деформаций. Показано, что в случае 3D-магнонных сетей построенных на основе пленок железо-иттриевого граната при различных пространственных периодах структур пространственное распределение амплитуд огибающей спайка хорошо соответствует решению стационарной задачи до длительностей начальных спайков превышающих величину 60 нс. 2) Разработан метод расчета спинового транспорта в 3D-архитектуре магнонной сети с размерностью (NxM~10000) c учетом топологии базовых элементов, геометрии и магнитных параметров сред. На основе сконструированной математической модели для расчета параметров 4-х портовых транспортных элементов с планарной и межслойной организацией управления весовыми коэффициентами на основе тонких магнитных и пьезоэлектрических пленок. На основе проведенного теоретического исследования зависимостей конфигурации внутренних магнитных полей статических параметров трехмерных магнитных микроструктур от величины и характера упругих деформаций были выявлены режимы управления латеральным и вертикальным спин-волновым транспортом с помощью электрического поля. На основе проведенных численных расчетов методами микромагнитного моделирования многопортовых транспортных элементов с различной организацией управления весовыми коэффициентами выявлены механизмы формирования режимов связи спиновых волн в вертикальных и латеральных каналах. На основе разработанной обобщенной математической модели разработана программа математического моделирования на основе методов конечных элементов и микромагнитного моделирования при решении уравнения Ландау-Лифшица-Гильберта с интегрированием по схеме Дормана-Принса. На основе разработанного метода расчета методом конечных элементов статических параметров трехмерных магнитных микроструктур с учетом магнитоупругих эффектов, топологии, магнитных и упругих параметров структур были получены конфигурации внутренних магнитных полей и получены характерные размеры микроволноводных каналов и зависимость эффективной ширины канала от величины зазора между вертикально и латерально ориентированными микроволноводами. 3) Разработан теоретический подход на основе метода матриц передач для расчета параметров экспериментальных макетов структур типа «градиентная магнитная микроструктура- пьезоэлектрик» на основе пленок железо-иттриевого граната различной толщины и слоев цирконата-титаната свинца (PZT) с микронными и субмикронными топологическими нормами. Выполнена оптимизация параметров (топологии, геометрии) исследуемых структур типа «градиентная магнитная микроструктуры» с целью повышения эффективности и уменьшения энергетических затрат на управление характеристиками спин-волновых возбуждений упругими деформациями градиентных магнитных микроструктур. Получено хорошее соответствие полученных данных с экспериментальными и численными результатами. 4) Разработана методика изготовления текстурирования тонких магнитных пленок с целью формирования заданных градиентов внутренних параметров на основе метода лазерного скрайбирования с помощью системы прецизионной лазерной резки на базе волоконного YAG:Nd лазера с 2D гальванометрическим сканирующем модулем. Метод был адаптирован для использования на пленках ЖИГ с толщинами 0.1-10~мкм. На основе разработанной методики созданы образцы магнонных структур. 5) Изготовлена конфигурация латеральной магнонной структуры с пьезоэлектрическим слоем. Проведено исследование методами управление свойствами распространяющихся спиновых волн и пространственным распределением интенсивности динамической намагниченности в латеральной структуре. На основе проведенных исследований выявлены механизмы управления дипольной связью спиновых волн путем создания упругих деформаций. 6) Разработана концепция использования предложенной латеральной структуры с электрическим управлением для создания системы демультиплексирования с частотно-пространственной селективностью для использования предложенной латеральной структуры с электрическим управлением для создания нейроморфной системы демультиплексирования с частотно-пространственной селективности. 7) Выявлены механизмы межуровневой связи сигнала на основе проведенного численного и экспериментального исследования радиофизическим методом и методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии магнитных материалов в микроволновом диапазоне частот характеристик спин-волнового транспорта 4-х портового транспортного элемента с планарной и межслойной организацией управления весовыми коэффициентами на основе тонких магнитных пленок. Показано, что в латеральной системе магнитных микроволноводов с расположенным над ними кольцевымм микрорезонатором оказывается возможным управлять пространственно-частотным распределением динамической намагниченности при распространении спиновой волны, возбуждаемой в одном из микроволноводов. 8) Проведена модификация метода Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии путем добавления в конфигурацию системы в режиме квазиобратного рассеяния модуля электро-оптического модулятора и модуля ввода света в интерферометр для комплекса Бриллюэновской спектроскопии. На основе модифицированного медода Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии рассеяния света проведена послойная визуализацией стационарного пространственного распределения динамической намагниченности в спин-волновых сигналах, распространяющихся в двух структурированных пленках феррит-гранатов, разделенных диэлектрическим зазором. Полученные карты распределения позволяют проводить оценку длины волны сигнала и фазовых соотношений в системе микроволноводов, что необходимо учитывать при построении 3D магнонных сетей. 9) Методом конечных элементов и с помощью микромагнитного моделирования выявлены особенности формирования коллимированных пучков спиновых волн на основе полученных дисперсионных характеристик и модовой декомпозиции сигнала, распространяющегося на частотах запрещенной зоны магнонно-кристаллической структуры. Для этого рассмотрены особенности спин-волнового транспорта в системе связанных магнитных микроволноводов при перпендикулярном намагничивании относительно продольной оси системы. Показано, что система обладает одноосной анизотропией, коэффициенты горизонтальной и вертикальной связи имеют разные знаки, а изочастотные поверхности имеют форму «седла». При распространении поперечно ограниченных пучков спиновых волн тип кривизны волновых фронтов определяется направлением распространения волн относительно внешнего магнитного поля. 10) Проведена разработка экспериментальных макетов структур типа «градиентная магнитная микроструктуры- пьезоэлектрик» на основе пленок железо-иттриевого граната различной толщины и слоев цирконата-титаната свинца (PZT) с микронными и субмикронными топологическими нормами. На основе проведенного экспериментального исследования радиофизическими и оптическими методами (МБРС) в микроволновой диапазоне частот выявлены особенности генерации сигнала, характеристик распространения и методов управления пространственно-временной динамикой спин-волновых возбуждений упругими деформациями структур типа «градиентная магнитная микроструктуры- пьезоэлектрик». С помощью микромагнитного моделирования продемонстрирован механизм управления спин-волновым сигналом путем изменения величины и направления внешнего однородного магнитного поля. Показано хорошее соответствие данных экспериментального исследования и численного моделирования, а именно продемонстрировано управление сформированными на отверстии каустическими пучками спиновых волн распространяющихся в однородной магнитной пленке. 11) Проведено исследование индуцированной невзаимности поверхностных спиновых волн в структуре железо-иттриевый гранат (ЖиГ)-GaAs под действием лазерного излучения. Исследуемая структура представляла собой Т-образный микроволновод выполненный из пленки ЖИГ толщиной 9 мкм и размещенной на поверхности полупроводниковой пластины выполненной из слабо легированного слоя n-GaAs толщиной 500 мкм. Структура была помещена во внешнее магнитное поле величиной 900 Э и ориентированное перпендикулярно основанию (вертикальной части) T образного волновода. В этих условиях в основании T образного волновода спектр спиновых волн в области частот 4-5 ГГц представлен поверхностными волнами, а в верхней части обратными объемными спиновыми волнами. Вся структура засвечивалась лазерным излучением c длиной волны 700 нм мощностью 450 мВт. Падающая на структуру мощность излучения изменялась в широких пределах оптическим аттенюатором. Под действием лазерного излучения в слое GaAs происходила генерация неравновесных носителей, концентрация которых определялась мощностью падающего излучения и лежала в диапазоне 10^16-10^17 1/см^3. Проведенные исследования показали, что в основании T-образного волновода увеличение концентрации неравновесных носителей приводит к увеличению фазовой скорости поверхностных волн и увеличению пространственного декремента затухания. В верхней части T-образного волновода увеличение концентрации неравновесных носителей приводит к малому уменьшению фазовой скорости и увеличению декремента затухания обратных объемных спиновых волн. Результирующее влияние лазерного излучения на передаточные характеристики спиновых волн при их распространении из основания к верхней части T-образного волновода приводит к модуляции коэффициента передачи мощности спиновой волны при сохранении величины фазового набега. В случае больших концентраций неравновесных носителей и большой мощности лазерного излучения максимум передаточной характеристики смещается в область более низких частот. Таким образом полученные результаты показывают, что в рассмотренной структуре в виде T-образного волновода с полупроводниковым слоем передаточными характеристиками спиновых волн можно эффективно управлять мощностью лазерного излучения и она может быть использована для реализации управляемых частотных мультиплексоров. Закуплено оборудование в лабораторию "Магнитные Метаматериалы" НИИМФ СГУ и проведена модернизация комплекса Бриллюэновской спектроскопии в 2022/21 году система установки угла ввода света в интерферометр, в 2020 система Linkam LTS420 с контроллером LINKPAD и ПО, с температурным диапазоном от -196 до +420 С, модуль ввода света в интерферометр для комплекса Бриллюэновской спектроскопии, в 2019 цифровой генератор задержки,SRS DG645, микроскоп СХ23LEDRFSI 1-1-2, в комплекте с объективами 4х, 10х, 40х, 100х, объектив большого рабочего расстояния LCPLFN100XLCD, счетчик фотонов Hamamatsu C11202-050, фильтр для лазера с контролем температуры TCF-2G, СВЧ-ключ SR-S400-1S-A1B1D1F1G1, 2 штуки, Электро-оптический модулятор, QUBIG GmbH. В ходе работы над проектом были опубликованы 7 статей в журналах из списка Scopus, Web of Science, 8 статей в сборниках докладов конференций, 5 тезисов докладов, получен 1 патент на изобретение, 2 свидетельства на программу для ЭВМ.