Обработка информационных сигналов на основе управляемого спин-волнового транспорта в многоуровневых реконфигурируемых магнонных сетях на принципах нелинейной магнонной стрейнтроники и спин-фотоники

Проект направлен на решение фундаментальной научной задачи, связанной с поиском новых типов носителей и материальных сред для генерации, передачи и параллельной обработки информационных сигналов и на исследование возможности разработки и создания и элементной базы магноники и магнонной спинтроники на основе многослойных композитных микро- и нановолноводов и резонаторов, сформированных из магнонных структур, выполненных из ультратонких магнитных пленок, с управляющими слоями пьезоэлектрика. При этом конфигурация слоев магнонных схем, выполненных на основе продольно-нерегулярных спин-волноведущих структур и структур с нарушенной трансляционной симметрией. Научная задача настоящего проекта находится в рамках направления Н1 (Переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, роботизированным системам, новым материалам и способам конструирования, создание систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта), определенного в Стратегии научно-технологического развития РФ (утверждена Указом Президента РФ от 1 декабря 2016 г. № 642). В рамках данной задачи планируется развитие идей, направленных на создание способов организации вычислений, развитии методов функциональной обработки и хранения информации в распределенных системах микро- и наноразмерных пространственных масштабов на основе латеральных и вертикальных топологий реконфигурируемых магнонных сетей. В рамках данного подхода информация кодируется амплитудой спиновых волн, а логические операции над входными сигналами реализованы с помощью интерференции сигналов. В продолжающемся проекте планируется провести комплексные исследования многослойных магнонных структур, каждый слой которых представляет собой продольно-нерегулярную магнонную структуру, содержащую волноведущие и кольцевые резонаторные элементы. При этом управление сигналом (амплитудой и фазой распространяющейся спиновой волны) осуществляется методами нарушения трансляционной симметрии магнонных структур (i), методами магнонной стрейнтроники (ii) и спин-фотоники (iii). В первом случае (i) для управления передачей сигнала в магнонных схемах используется метод создания продольно-нерегулярных межсоединений на основе структурированных пленок феррит-гранатов[A.A. Martyshkin, C.S. Davies, and A.V. Sadovnikov Magnonic interconnections: Spin-wave propagation across two-dimensional and three-dimensional junctions between yttrium iron garnet magnonic stripes // Phys. Rev. Applied 18, 064093 (2022)], во втором случае (ii) для изменения свойств магнитной среды, в которой распространяется сигнал, используются пьезоэлектрические подложки [A. V. Sadovnikov, и др Magnon straintronics: Reconfigurable spin-wave routing in strain-controlled bilateral magnetic stripes // Phys. Rev. Lett. 120, 257203 (2018)], а в третьем(iii) – сфокусированное на поверхности структуры магнитная пленка/полупроводник лазерное излучение [A. V. Sadovnikov, и др Route toward semiconductor magnonics: Light-induced spin-wave nonreciprocity in a YIG/GaAs structure // Phys. Rev. B 99, 054424. 2019], [Exceptional-point phase transition in coupled magnonic waveguides, A.V. Sadovnikov, A.A. Zyablovsky, A.V.Dorofeenko, S.A. Nikitov, Phys. Rev. Applied 18, 024073 (2022)]. В настоящем проекте эти подходы планируется реализовать для разработки базовых блоков реконфигурируемых (перестраиваемых электрических напряжением и лазерным излучением) магнонных сетей. Интеграция полупроводниковых и пьезоэлектрических материалов с концепцией магноники позволят преодолеть ряд ограничений и проблем при использовании только полупроводниковой элементной базы систем обработки информационных сигналов, а именно компенсировать их низкую радиационная стойкость и высокое тепловыделение, а как следствие уменьшить их размер за счет отсутствия охлаждающих модулей. Поэтому актуальной задачей сегодня является переход на новую компонентную базу для энергоэффективных систем обработки цифровых информационных сигналов на новых физических принципах.