Наноразмерные многофункциональные устройства магнонной логики и резервуарных вычислений на спиновых волнах в периодических магнитных гетероструктурах

Проект направлен на решение научной проблемы, связанной с созданием новой элементной базы на принципах магноники, заключающихся в использовании спиновых волн или магнонов вместо электронов в качестве носителей информации. Наиболее важные параметры стандартной полупроводниковой электроники, такие как высокая скорость обработки, малый размер элемента, низкое энергопотребление и низкое тепловое излучение имеют фундаментальные физические ограничения. Бурное развитие IT технологий резко повышает требования к системам генерации, интеллектуальной обработки и передачи больших массивов информации. Это, в свою очередь, предъявляет повышенные требования к элементной базе IT систем. Необходимость совершенствования элементной базы стимулирует поиск принципиально новых подходов и методов обработки информации. Одна из альтернативных концепций по преодолению данных ограничений лежит в области магноники. При этом принципиальным вопросом для создания функциональных устройств и решения поставленных задач является выбор адекватной среды передачи. Наиболее перспективный подход в этом направлении основывается на использовании коротковолновых магнонных возбуждений в наноразмерных периодических магнитных гетероструктурах. Научная значимость решения обозначенной проблемы обусловлена расширением сферы знания о физических процессах взаимодействия различных типов возбуждений в наноразмерных магнитных гетероструктурах, обусловленных совместным влиянием периодичности, связи в 3D направлениях, нелинейности, кольцевой геометрией и наличием полупроводниковых материалов, стандартных для КМОП технологий. Совместное проявление указанных факторов может привести к появлению новых линейных и нелинейных феноменов при распространении спиновых волн в таких структурах. Выявленные феномены позволят создать на базе таких структур многофункциональные наноразмерные устройства в микроволновом диапазоне для обработки данных, обладающие уникальными возможности, а также позволяющие реализовать набор функций на основе одного устройства, что эквивалентно динамике нейрона. Такими функциями являются, в частности логические операции всех типов, частотное мультиплексирование/демультиплексирование сигнала, нелинейное направленное ответвление, генерация СВЧ сигнала, генерация ультракоротких импульсов, создание магнонных сетей. Кроме того, ожидаемые феномены делают возможным создание на основе таких структур базового элемента для резервуарных вычислений в рекуррентной нейронных сетях. Использование полупроводниковых сред в таких гетероструктурах открывает потенциальные возможности двойного электрического и магнитного управления, а также интеграции предложенных магнонных устройств в стандартную полупроводниковую электронику. Актуальность решения данной проблемы продиктована необходимостью минитюаризации устройств магноники и переходом в наноразмерную область, сокращением энергопотребления, повышением быстродействия, поиском новых инструментов для нейроморфных вычислений, связанных с подбором оптимальной физической реализации резервуаров, а также интеграцией устройств на принципах магноники в стандартную КМОП архитектуру с решения задач обработки данных нового поколения.