КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

 

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер 18-72-00224

НазваниеГибридные системы сверхпроводник/ферромагнетик для применений в магнонике

РуководительГоловчанский Игорь Анатольевич, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Национальный исследовательский технологический университет "МИСИС", г Москва

Период выполнения при поддержке РНФ 07.2018 - 06.2020 

Конкурс№29 - Конкурс 2018 года по мероприятию «Проведение инициативных исследований молодыми учеными» Президентской программы исследовательских проектов, реализуемых ведущими учеными, в том числе молодыми учеными.

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления

Ключевые словаферромагнетизм, сверхпроводимость, магноника, гибридные системы сверхпроводник/ферромагнетик, джозефсоновские структуры, СВЧ, сверхпроводящие резонаторы

Код ГРНТИ29.19.39

СтатусУспешно завершен

 

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Предлагаемый проект направлен на комплексные исследования и разработку новых гибридных устройств на основе комбинации сверхпроводник/ферромагнетик. Несмотря на то, что явления сверхпроводимости (S) и ферромагнетизма (F) являются антагонистами, многократно показано, что такая гибридизация приводит к функциональным возможностям систем, недоступным для традиционных сверхпроводящих или магнитных устройств. Известными примерами гибридных структур сверхпроводник/ферромагнетик могут служить многослойные Джозефсоновские структуры типа SFS для применений в качестве инверторов фазы и элементов криогенной магнитной памяти, а также S/F структуры, основанные на взаимодействии вихрей Абрикосова с подрешеткой искусственных ферромагнитных центров пиннинга для применений в качестве магнито-резистивных устройств, элементов вихревой криогенной памяти и вихревых диодов. Важно отметить, что в подавляющем большинстве вариантов реализации S/F систем гибридизация условно приводит к модифицированию сверхпроводящих характеристик. В предлагаемом проекте, напротив, предлагается сфокусироваться на гибридных системах, в которых гибридизация проявится в поведении ферромагнитной подсистемы гибридной S/F структуры, а именно на магнонных свойствах. Магноника – активно развивающаяся область знаний о спиновых волнах – собственных возбуждениях магнитного момента, распространяющихся в магнито-упорядоченных средах. Магноника, как способ передачи информации, обладает целым рядом практических преимуществ: магнонные дисперсионные соотношения управляются простым изменением приложенного поля; с помощью магнонов реализуема бездиссипативная передача информации на значительные расстояния и с низким энергопотреблением, что особенно актуально для передачи квантовой информации; небольшая длинна волны магнонов в СВЧ диапазоне частот позволяет разрабатывать буквально микро-устройства для обработки информации; в отличие от СВЧ техники и фотоники, магноны распространяются только в магнито-упорядоченных средах, что снимает проблему паразитной связи с окружающими немагнитными элементами устройства. В рамках проекта будут проведены исследования и разработка пассивных и активных S/F гибридных структур для применений в магнонике. Под активными структурами подразумевается реализация взаимодействия магнонов F-подсистемы c переменными полями, генерируемыми активными сверхпроводящими устройствами, такими как сверхпроводящие резонаторы и джозефсоновские структуры. Такие структуры интересны в качестве компактных локальных осцилляторов-источников/детекторов магнонов. Под пассивными гибридными системами подразумевается индуктивное взаимодействие магнонов с экранирующими или вихревыми сверхпроводящими токами, что может приводить к изменению магнонного дисперсионного соотношения. Принципиальная возможность изменения дисперсионного соотношения ферромагнитной пленки за счет ее индуктивной связи со сверхпроводящей пленкой впервые продемонстрировано автором проекта. Результаты проекта найдут применение в области альтернативной пост-кремниевой СВЧ электроники.

Ожидаемые результаты
Ожидается получение систематических экспериментальных и теоретических знаний о магнонных гибридных S/F системах. Будет реализовано экспериментально и изучено взаимодействие спиновых волн с микроволновым излучением и излучением Джозефсоновских структур. Также будут исследованы возможности и перспективы индуктивного взаимодействия магнонов со сверхпроводниками в различных конфигурациях. Для экспериментальных исследований будут изготовлены соответствующие функциональные S/F гибридные устройства. Для теоретических исследований будет разработан аппарат на основе микромагнитного моделирования. Общим результатом будет обозначение контуров новой области знаний – S/F гибридной магноники (или криогенной магноники), которая обладает преимуществами по сравнению с классической магноникой для передачи и обработки информации. Будет дана оценка возможности использования полученных эффектов в новых видах магнонных устройств. Результаты исследований будут представлены на ведущих Российских и международных конференциях и опубликованы в соответствующих журналах с высоким индексом цитирования, индексируемых в базах данных Web of Science и Scopus.

 

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Изучен закон дисперсии для спиновых волн которые распространяются в би-слойных структурах сверхпроводник/ферромагнетик, а конкретнее – в ферромагнитной пленке, связанной индуктивно со сверхпроводником. Индуктивная связь рассмотрена с помощью метода изображений. Показано, что в целом такая связь существенно повышает фазовую скорость спиновых волн. В геометрии поверхностных спиновых волн показана невзаимность их распространения. Эти исследования опубликованы в журнале Journal of Applied Physics. https://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.5077086 Предложен класс метаматериалов, основанный на гибридизации сверхпроводимости и ферромагнетизма для применений в области магноники. Эти материалы состоят из магнонной среды, т.е. ферромагнетика, который индуктивно связан со сверхпроводящей периодической микроструктурой. Спектроскопия динамики магнитного момента такого гибрида свидетельствует о формировании областей в магнонной среде с чередующимися характеристиками дисперсии, что является необходимым условием формирования метаматериалов, известных как магнонные кристаллы. Спектр позволил определить влияние сверхпроводящей микроструктуры на дисперсию спиновых волн, которое происходит за счет диамагнитного отклика сверхпроводника на приложенное магнитное поле. В дополнение, на спектре выявлена зависимость сверхпроводящего критического состояния микроструктуры от поля: идентифицированы Мейснеровское и смешанное состояния, а также первое сверхпроводящее критическое поле. Такое поведение свидетельствует о возможной нелинейности в поведении гибридных магнонных кристаллов. Исследование закона дисперсии в гибридных метаматериалах показало что за счет гибридизации происходит формирование разрешенных и запрещенных частотных зон для пропускания спин-волнового сигнала. Продемонстрирована зависимость зонной структуры от геометрии системы: в случае обратной объемной спин-волновой геометрии зонная структура традиционная, тогда как в случае поверхностной геометрии зонная структура невзаимна и состоит из неявных запрещенных зон. Результаты этих исследований приняты к публикации в престижный журнал Advanced Science (IF 12.441).

 

Публикации

1. Головчанский И.А., Абрамов Н.Н., Столяров В.С., Джумаев П.С., Емельянова О.В., Голубов А.А., Рязанов В.В., Устинов А.В. Ferromagnet/superconductor hybrid magnonic metamaterials Advanced Science, - (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1002/advs.201900435

2. И. А. Головчанский, Н. Н. Абрамов, В. С. Столяров, В. В. Рязанов, А. А. Голубов, А. В. Устинов Modified dispersion law for spin waves coupled to a superconductor Journal of Applied Physics, том 124, стр. 233903 (год публикации - 2019) https://doi.org/10.1063/1.5077086

Аннотация результатов, полученных в 2019 году
Изучен спектр гибридных тонкопленочных систем и гибридных магнонных кристаллов при различных амплитудах возбуждения спиновых волн. Продемонстрировано влияние нелинейного отклика сверхпроводящих микроструктур на закон дисперсии непрерывных систем и зонную структуру гибридных магнонных кристаллов. Результаты исследований опубликованы в [I.A. Golovchanskiy et al., J. Appl. Phys. 127, 093903 (2020) https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5141793] Изготовлены и исследованы гибридные СВЧ структуры сверхпроводник/ферромагнетик, в которых реализовано когерентное взаимодействие сверхпроводящего электромагнитного и ферромагнитного резонаторов. Отклик связанных систем зарегистрирован в виде антикроссинга спектральных линий резонаторов. Также, разработана и реализована система СВЧ передачи сигнала с помощью сверхпроводящих микроволновых антенн посредством спиновых волн. Показаны моды эффективной спин-волновой передачи и невзаимность передачи посредством поверхностных спиновых волн. Система доработана с целью возможности передачи посредством спиновых волн суб-микрометрической длины. Подготовлена система для экспериментального тестирования ферромагнитных тонких пленок методом flip-chip. Все эти исследования будут продолжены после формального завершения проекта.

 

Публикации

1. И.А. Головчанский, Н. Н. Абрамов, В.С. Столяров, А.А. Голубов, В.В. Рязанов, А.В. Устинов Nonlinear spin waves in ferromagnetic/superconductor hybrids Journal of Applied Physics, 127, 093903 (2020) (год публикации - 2020) https://doi.org/10.1063/1.5141793

2. - Scientists develop a metamaterial for applications in magnonics eurekalert, - (год публикации - )

3. - Scientists Develop A Metamaterial For Applications In Magnonics SCIENMAG Science Magazine, - (год публикации - )

4. - Scientists develop a metamaterial for applications in magnonics Innovations Report, - (год публикации - )

5. - Magnonics, an alternative to conventional electronics The American Chemical Society, - (год публикации - )

6. - Scientists Develop a Metamaterial for Applications in Magnonics, an Alternative to Conventional Electronics AZO Materials, - (год публикации - )

7. - Scientists develop a metamaterial for applications in magnonics, an alternative to conventional electronics nanowerk, - (год публикации - )

8. - Scientists develop a metamaterial for applications in magnonics, an alternative to conventional electronics Phys.org, - (год публикации - )

9. - Прообраз магнонного кристалла Наука и Жизнь, - (год публикации - )

10. - Ученые из России выяснили, как создать "магнитный" компьютер РИА Новости, - (год публикации - )

Возможность практического использования результатов
не указано