Гетероструктуры для спинтроники и магноники в условиях отсутствия или применения слабого внешнего магнитного поля (продление)

В продолжение исследований, начатых и проведенных в течение трех лет, на следующем этапе будут изучаться свойства разного вида возбуждений (спиновых, акустических, оптических) в магнитных гетероструктурах, но без применения внешнего магнитного поля или в условиях его ограниченного применения. Это довольно трудоемкая задача поскольку помимо исследований, связанных с образцами нано-размеров, необходимо научиться возбуждать в них волны различной физической природы, исследовать взаимодействие возбуждений различного типа, в особенности свойства таких возбуждений при учете явлений, возникающих на поверхностях раздела различных слоев гетероструктур. В этом смысле масштаб исследований и комплексность очевидны так как для них потребуется знание многочисленных физических процессов, происходящих в исследуемых объектах, и умение проводить независимые измерения. Поэтому для решения основной задачи проекта необходимо выполнение конкретных работ по следующим направлениям: требуется разработать новые принципы и подходы, которые позволят добиться стабилизации магнитных моментов наноструктур за счет анизотропии формы элементов, ростовой и кристаллографической анизотропии, эффектов переноса магнитного момента и магнито-акустического взаимодействия в ферро- и антиферромагнетиках. В работе будет разработана теоретическая база для описания эффектов, позволяющих обеспечивать переключение состояний наноструктур за счет локального взаимодействия магнитных пленок и наноэлементов с током проводимости, спиновым током, электрическим напряжением и лазерными импульсами. Для решения этой фундаментальной проблемы необходимо решить ряд новых дисциплинарных задач связанных с разного рода микро- и наноразмерными гетероструктурами, содержащими ферромагнетики, тяжелые металлы, полупроводники. Нами определены для решения следующие задачи. Во-первых, планируется провести исследование возможности существования РТ (четность-время) симметричности в магнонных структурах на основе связанных ферро- и антиферромагнитных волноводах. Спонтанное нарушение симметрии в резонансных квантовых и оптических структурах было недавно открыто, появились публикации о возможности существования магнонных структур, в которых РТ симметрия нарушается, однако до сих пор подробных исследований в этой области не проводилось. На основании имеющегося опыта в том числе, используя задел, полученный на начальном этапе данного проекта будет решена задача о существовании РТ симметричности в системе магнонных волноводов и будут исследованы режимы распространения спиновых волн в таких структурах при нарушении РТ симметричности. Методом Мандельштам-Бриллюэновской и микроволновой спектроскопии будет проведено исследование режимов распространения спиновых волн в латеральных магнонных PT -симметричных структурах. На основе измерения в пространственной, частотной и временной областях будут получены карты спектров Мандельштам-Бриллюэновского рассеяния света (МБРС) при касательном намагничивании пленки для связанных спиновых волн в PT -симметричных магнонных структур. С помощью полученных карт будут выявлены режимы переключения сигнала в линейном и нелинейном случаях. На основе предложенного класса латеральных структур будет разработана концепция управляемых лазерным излучением ответвителей спин-волновых сигналов, работающих в режимах мультиплексирования и демультиплексирования информационных сигналов. Во-вторых, с помощью метода МБРС мы планируем исследовать существование локальных магнитных возбуждений в образцах на основе тонкопленочных структур ферромагнетик (ФМ)-тяжелый металл с наноконтактами и периодическим массивом полосок, изготовленными методами атомно-силовой магнитной литографии. Будет исследована спин-волновая динамика в массиве наноэлементов (полоски) на основе структур типа ФМ/Pt c взаимодействием Дзялошинского-Мория (DMI), возникающем на интерфейсе ферромагнетик-металл с большим спинорбитальным взаимодействием. На основе исследованных эффектов и структур будут предложены новые методы управления спектрами спиновых волн, что может найти применение для устройств, лежащих в основе модулей управления информационным сигналом на принципах магноники. В-третьих, мы исследуем процессы зарождения различных топологически устойчивых магнитных состояний под действием пространственно-локализованного, периодичного во времени поля, создаваемого зондом атомно-силового микроскопа. Будут исследованы пленки ферромагнетик-тяжелый металл, в которых неоднородность намагниченности обусловлена взаимодействием DMI, а также пленочные структуры, изготовленные из ферромагнетиков, где доменная структура определяется формой образца. Сопоставление результатов эксперимента и численного моделирования позволит определить условия, при которых в пленках можно создавать топологически устойчивые состояния. Четвертая задача посвящена экспериментальным исследованиям устойчивости магнитного состояния микроструктур в ферримагнитных пленках микронных и субмикронных толщин в условиях отсутствия или применения слабого внешнего магнитного поля, что напрямую связано с задачами Проекта 2019 и будет способствовать созданию новых компонентов магнонных цепей с малыми потерями энергии при распространении спиновых волн. Для этого будут отработаны методы коррекции магнитных и геометрических параметров микроструктур для получения однородного распределения намагниченности в микроструктуре при сохранении малого параметра затухания материала, что необходимо для создания на их базе волноводных компонентов магнонных цепей. Будут проведены экспериментальные исследования параметров созданных микроструктур, во многом определяющие условия распространения спиновых волн в волноводных структурах - свойств поверхности пленок и микроструктур, особенности ферромагнитного резонанса и спинового эффекта Холла в пленках и микроструктурах с различными краевыми условиями. Пятая задача будет посвящена теоретическому исследованию эффекта Бозе-Эйнштейновской конденсации (БЭК) магнонов при комнатной температуре. Полученные в проекте 2019 года результаты и развитые методы позволяют исследовать возможность и условия создания БЭК магнонов в антиферромагнитных (АФМ) пленках. Для этого будут рассмотрены основные условия существования БЭК магнонов, а именно: 1) существование энергетического минимума в спектре магнонов с импульсом не равным нулю; 2) условия существования теплового равновесия магнонов в условиях магнонной накачки; 3) устойчивость состояния БЭК магнонов в АФМ. Полученные результаты позволят не только рассмотреть саму возможность возбуждения БЭК магнонов в АФМ при комнатной температуре, но и необходимые требования к свойствам и размерам антиферромагнитных пленок. Также будут сформулированы основные рекомендации для проведения экспериментов по поиску БЭК магнонов в АФМ. Шестая задача связана с исследованием магнитоупругих взаимодействий в антиферромагнитных гетероструктурах. Также для создания компонентной базы на устройствах магнонной логики критически важно всесторонне исследовать методы интеграции различных магнонных элементов с помощью межсоединений. Поэтому в ходе выполнения Проекта 2019 возникла необходимость продолжить исследования магнитоакустических резонаторов и рассмотреть распространение спиновых волн в протяженных гетероструктурах. Поэтому будет рассмотрена возможность управления свойствами магнитоупругих волн в управляемых волноводах вида пьезоэлектрик / антиферромагнетик / тяжелый металл.