Системы и технологии для численного решения задач математического моделирования джозефсоновских наноструктур для сверхпроводящей электроники и спинтроники

Последние два десятилетия можно связать со значительным прогрессом в областях спиновой физики конденсированного состояния, а именно, в спинтронике и магнонике. Развитие спиновой физики также продвинуло вперед исследования сверхпроводящих систем: путем гибридизации сверхпроводящего и ферромагнитного порядков возникает интригующая физика, и могут быть достигнуты новые функциональные возможности устройств, недоступные в обычных системах. Таким образом, сверхпроводящую спинтронику можно рассматривать как способ манипуляции со спиновыми состояниями, использующую взаимодействие между ферромагнитным и сверхпроводящим порядками спинов. В рамках настоящего проекта нами планируются исследование гибридных наноструктур, в частности, джозефсоновские Фи-0 переходы типа сверхпроводник-ферромагнетик-сверхпроводник (SFS), которые можно использовать в качестве фазовращателей и элементов памяти, а также систему наномагнита, связанного с джозефсоновским переходом. Такие наномагниты обладают очень разными магнитными свойствами по сравнению с исходным массивным материалом и могут обеспечить усовершенствованную замену жестким дискам и энергонезависимым микросхемам памяти компьютера. Одной из важных задач проекта является исследование возможности контроля состояния наномагнита и массива наномагнитов, связанных с джозефсоновским переходом. Нами предполагается использование внешнего сигнала, подаваемого на джозефсоновский переход, для контроля магнитной прецессии наномагнита. Такого рода исследования будут проводиться впервые и позволят существенно расширить возможности контроля динамики намагниченности. Также предполагается исследование возможности определения состояния массива наномагнитов при помощи связанного с ним джозефсоновского перехода. Массив наномагнитов является перспективным объектом для наблюдения квантового фазового перехода, возникающего при нуле температур. Сложность здесь заключается в том, что прямое наблюдение такого перехода в различных системах, как правило затруднено, в частности, наличием переносчиков заряда. Джозефсоновский контакт, связанный с массивом, в свою очередь, предоставляет возможность непрямого наблюдения данного квантового перехода. Кроме исследования контроля намагниченности, в данном проекте мы планируем исследование резонансных свойств Фи-0 переходов в различных структурах. В частности, будет исследована динамика СКВИДа, состоящего из двух Фи-0 переходов. Также будут исследованы динамики и резонансные явления в системе Фи-0 перехода, шунтированного LC-контуром. Подобные исследования позволят, в перспективе, получить метод экспериментального наблюдения ферромагнитного резонанса в гибридных гетероструктурах. В рамках проекта 2018 года был разработан сервис для научных расчётов с целью повышения эффективности проведения численных исследований джозефсоновских наноструктур с использованием облачных вычислительных ресурсов и гетерогенной платформы HybriLIT. Мотивацией для дальнейшего развития разработанного сервиса является расширение круга решаемых исследовательских задач в связи с возросшим интересом других научных групп к решаемым проблемам. В настоящем проекте предлагается развить созданную вычислительную базу для работы с увеличивающимся количеством вычислительных задач: дополнить сервис новыми инструментами для разделения прав доступа к объектам системы, инструментами для самостоятельного создания пользователями графических интерфейсов новых приложений, а также добавить поддержку интегрированной облачной инфраструктуры стран-участниц ОИЯИ в качестве дополнительного источника вычислительной мощности. Выполнение предлагаемых задач позволит использовать сервис в качестве библиотеки приложений в области проводимого исследования, совместно пополняемой и развиваемой различными исследовательскими группами и институтами.