Магнитные ультратонкие пленки и наногетероструктуры как функциональные наноматериалы для спин-орбитальной электроники.

Двадцать первый век ставит перед человечеством множество глобальных вызовов, включая растущую потребность: (i) в быстром и безопасном хранении информации, (ii) в снижении энергопотребления и (iii) в увеличении вычислительной мощности. Для нашей страны эти вызовы дополняются сложной геополитической ситуацией и потребностью в развитии собственной электронной и радиоэлектронной промышленности. Понимая, что догнать ведущие страны в области полупроводниковой промышленности практически невозможно, учитывая, в том числе ограничение в ресурсах, ставка могла бы быть сделана на новые физические принципы для реализации запоминающих и вычислительных устройств. По мнению ведущих экспертов (World Materials Forum Report, 2021) наиболее вероятным приемником полупроводниковой электроники, которая уже достигла физического предела по уменьшению элементов транзистора, является спинтроника. Прогнозируется, что к 2030 году будут коммерчески доступны электронные компоненты, построенные на принципах управления спином электрона, а не его зарядом. У нашей страны есть возможность из разряда догоняющей Запад, перейти в разряд передовых в области спиновой электроники. Для развития электронной отрасли по этому сценарию требуются новые знания и материалы, на основе которых могут быть созданы устройства, имеющие сверхнизкое энергопотребление, высокую скорость работы и большую емкость для хранения данных. Среди передовых материалов, способных внести вклад в решение этой государственно важной задачи, магнитные тонкие пленки и наногетероструктуры являются наиболее перспективными. Это обусловлено их широкими функциональными возможностями в нормальных условиях, исходя из комбинации магнитных и немагнитных слоев, управления их размерностью, геометрией и качеством интерфейсов, а также комплементарностью технологического процесса с традиционной КМОП-технологией. В рамках проекта предлагается проведение фундаментальных исследований на стыке топологического магнетизма, спинтроники и двух новых перспективных направлений – спин-орбитроники и скирмионики. Главной целью проекта будет являться изучение влияния спин-орбитальной связи на магнитные, топологические и электрические свойства наносистем, построенных на основе комбинации ультратонких слоев ферромагнетиков, ферримагнетиков, антиферромагнетиков (включая синтетические АФМ) и слоев тяжелых металлов, обладающих сильной спин-орбитальной связью. Акцент в проекте будет сделан на управлении нетривиальными топологическими спиновыми текстурами, такими как скирмионы, скирмионные решетки и скирмиониумы. Из-за топологической природы такие текстуры можно рассматривать как локализованные квазичастицы в магнитных материалах, которые проявляют зависящие от топологии уникальные статические и динамические свойства, позволяющие их использовать в качестве носителей битовой информации. В рамках проекта впервые будут изучены динамические скирмионы, возникающие под действием спиновых токов. Особенность динамических скирмионов заключается в том, что формирование топологически нетривиальных конфигураций не обязательно требует наличия антисимметричного обменного взаимодействия Дзялошинского-Мория (ВДМ). Динамические скирмионы могут быть индуцированы, как мы предполагаем, полями Эрстеда, создаваемыми токами, которые также могут вносить вклад в необходимую инверсионную асимметрию тонкоплёночной системы. Однако, наличие ВДМ позволяет расширить параметрический диапазон управления динамическими скирмионами, что делает их очень гибкими тестовыми системами для изучения топологических спиновых явлений. Для управления величиной и знаком ВДМ впервые будет изучено влияние слоев бинарных и троичных сплавов тяжелых металлов на магнитную анизотропию, спиновую поляризацию и антисимметричный обмен, в том числе под действием охлаждения и нагрева. Важное внимание будет уделено влиянию модифицированной кристаллической структуры (под действием температурного отжига, облучения тяжелыми ионами и лазерным пучком) и, соответственно, параметров интерфейсов, на спин-орбитальные свойства. Комплексное изучение с использованием современных теоретических (вычисление из первых принципов, микромагнитное моделирование, аналитические расчеты) и экспериментальных (включая исследования на синхротронных комплексах) методов обозначенных магнитных наносистем и спиновых текстур с разной топологией позволит раскрыть их высокий потенциал практического применения в устройствах спин-орбитальной электроники. Следует отметить, что в проекте предлагается сфокусироваться на глубоком понимании взаимосвязи таких квантовых явлений, как спиновый и орбитальный момент электрона, и их влиянии на функциональные свойства наногетероструктур. Именно понимание фундаментальных механизмов стабилизации и управления топологическими спиновыми текстурами позволит реализовать быструю энергонезависимую скирмионную память, энергоэффективные логические и нейроморфные вычислительные элементы.