Спинтроника полупроводниковых, диэлектрических, ферромагнитных и гибридных структур: исследование и разработка методов управления магнитными свойствами наноструктур электрическими, оптическими, микроволновыми и деформационными полями

Целью настоящего исследования является получение глубоких знаний о кинетических, спиновых и магнитных свойствах в объемных и низкоразмерных наноструктур, в частности, квазиодномерных и двумерных наноструктур с учетом беспорядка и корреляционных эффектов. Предполагается экспериментальное и теоретическое исследования спиновых взаимодействий в наноструктурах, в том числе специально разработанных и с нужными свойствами, влияния внешних полей на кинетические и спиновые эффекты, а также разработка на основе этих свойств методов управления спиновым или магнитным состоянием структуры. Важнейшим направлением исследований является выявление наиболее эффективных механизмов возбуждения спиновой динамки фемто- и пикосекундными лазерными импульсами в объемных и токнопленочных структурах. Конкретной научной задачей исследования будет экспериментальное наблюдение спиновой динамики на суб- и терагерцовых частотах, индуцированной короткими лазерными импульсами в материалах, имеющих несколько конкурирующих взаимодействий, определяющих их магнитное упорядочение. В основе проекта лежит идея изменения одного или нескольких таких взаимодействий при воздействии на материал лазерных импульсов. Особый интерес представляют такие механизмы взаимодействия коротких лазерных импульсов с магнитными материалами, которые позволяют изменять магнитное состояние материала и возбуждать магнитную динамику за счет резонансного возбуждения одной или нескольких подсистем материала – электронов, решетки, спиновой подсистемы. Резонансное возбуждение позволяет селективно возбуждать динамику одной из подсистем и, таким образом, контролировать передачу энергии и углового момента от возбуждающего возбуждения к спиновой системе. Конечной целью исследования является применение полученных знаний для разработки методов управления магнитными и спиновыми состояниями в объемных и низкоразмерных системах, а также практических устройств на их основе. Спиновые явления играют фундаментальную роль в природе, они широко используются как при решении современных технологических проблем, так и при изучении процессов, происходящих в живой материи. На спиновых явлениях основан один из самых мощных аналитических методов – метод электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и его развитие в виде электронного спинового эха (ЭСЭ), двойного электронно-ядерного резонанса (ДЭЯР), оптически детектируемого магнитного резонанса (ОДМР) и электрически детектируемого магнитного резонанса (ЭДМР). Исследование оптически и электрически индуцированных спиновых взаимодействий и спин-зависимых процессов, транспортных явлений в таких структурах является приоритетной задачей при разработке иновационных технологий и устройств, в которых используются спиновые свойства электронов и ядер. Использование квантовых эффектов в качественно новых технологиях является чрезвычайно актуальной и принципиально новой задачей. В настоящее время появляется ряд новых перспективных материалов для спинтроники, таких как ансамбли квантовых точек и ферромагнитных гранул, органические полупроводники. Эти материалы имеют ряд особенностей, связанных с динамикой спина. Так благодаря слабому спин-орбитальному взаимодействию в органических полупроводниках подавлена релаксация спина из-за взаимодействия с фононами, поэтому даже при комнатных температурах могут быть достигнуты большие времена спиновой релаксации. Это приводит к ряду существенных спин-зависимых явлений, таких как влияние ядерных спинов на проводимость при комнатной температуре. В ансамблях квантовых точек подобные явления могут наблюдаться при низких температурах. С другой стороны, в органических структурах тепловые колебания могут многократно менять интегралы перекрытия электронных состояний, что существенным образом влияет на электронный и спиновый транспорт. Изучение этого круга явлений требует подробного теоретического исследования фононных, электронных и спиновых степеней свободы в таких материалах, а также их взаимосвязи. Развитие современных технологий все больше опирается на обработку огромных объемов данных ("Большие данные"). Поэтому постоянно ведется поиск способов увеличить емкость, энергоэффективность и скорость. Глобальной целью исследований в рамках данной темы является выявление наиболее эффективных механизмов возбуждения спиновой динамки фемто- и пикосекундными лазерными импульсами в объемных и токнопленочных структурах. В рамках данного этапа будут изучены экспериментально и теоретически процессы преобразования коротких лазерных импульсов оптического и терагерцового диапазона в спиновые возбуждения в материалах с несколькими конкурирующими взаимодействиями, определяющими магнитный порядок. Другой приоритетной задачей является исследование кинетики низкоразмерных структур. Эти знания лежат в основе анализа работы любых современных наноэлектронных приборов. В частности, планируется изучение спиновых свойств квантовых точек на основе полупроводников (In,Al)As, которые вследствие длинного времени спиновой релаксации электронов являются перспективными в плане реализации устройств спинтроники. В рамках проекта будут также решаться прикладные задачи, важнейшей из которых является завершение работ по созданию многоцелевого микроволново-оптического комплекса (МОК), не имеющего зарубежных аналогов, включающего отдельные спектрометры, выполненные на основе отечественных разработок. Микроволновая опция спектрометра позволяет выполнить импортозамещение монополиста в области высокочастотного ЭПР, спектрометра фирмы Брукер (США), и значительно расширить его функциональные возможности.