Аннотация результатов, полученных в 2020 году
Теоретическое изучение сверхбыстрой спин-решеточной динамики сложных магнитных материалов после возбуждения интенсивным электромагнитным импульсом представляет существенный научный интерес, поскольку процесс размагничивания происходит на разных временных масштабах. В первый год работ по проекту мы сосредоточились на исследовании различных методов количественного описания эффектов, обусловленных наличием электрон-фононного взаимодействия. В частности, мы провели прямое сравнение подходов атомистической спиновой динамики, реализованной в программном пакете моделирования VAMPIRE и динамической теории спиновых флуктуаций. Первый подход, как известно, описывает класс моделей, которые соответствуют дискретному описанию магнитных материалов, так что каждому атому приписывается локализованный магнитный момент. В свою очередь второй метод позволяет явно учесть колебания решетки и спиновые флуктуации. В качестве практического примера мы рассмотрели сплавы Fe-Ni для различных концентраций Fe. Наши результаты однозначно показывают, что описание в рамках теории динамических спиновых флуктуаций позволяет правильно воспроизвести поведение температуры Кюри при увеличении концентрации Fe. Зонная структура и электронные свойства Fe-Ni были изучены с использованием метода SPR-KKR, однако мы также разработали псевдогибридную теорию функционала плотности. Этот формализм был использован нами для всестороннего изучения электронной структуры поверхности InAs(111) для объяснения формирования аккумуляционного слоя электронов. Недавно было показано, что спин-орбитальное взаимодействие способствует появлению сильной магнитной анизотропии, позволяющей стабилизировать магнитное упорядочение в монослоях трийодида хрома. Мы изучили электронные свойства этого материала из первых принципов, а также с использованием формулы Кубо и системы уравнений Максвелла рассчитали тензор проводимости для этого материала и поверхностные электромагнитные волны, локализованные в структуре на основе CrI3. Кроме того, мы использовали квантовое моделирование, чтобы эмулировать свойства одномерной квантовой спиновой цепочки с конкурирующими симметричным и антисимметричным обменными взаимодействиями. В частности, мы исследовали возможность использования для этих целей гибридных квантовых алгоритмов, главным образом аппаратно-эффективного вариационного метода нахождения собственного состояния. Мы протестировали работу этого алгоритма для основного состояния, соответствующего магнитному солитону, и количественно оценили полученные результаты в рамках изучения квантовой запутанности. Мы также указали на область применимости вариационных квантовых вычислений для решения задач квантового моделирования систем с неколлинеарным магнитным упорядочением.

Аннотация результатов, полученных в 2021 году
Адекватное описание свойств магнитных материалов и спиновой динамики, включая сверхбыструю спин-решеточную динамику в поле лазерного излучения, требует развития новых численных методов и подходов. За отчетный период нами исследованы магнитные свойства неупорядоченных сплавов железа и никеля с гранецентрированной кубической решеткой при конечной температуре. В частности, изучена зависимость температуры Кюри от концентрации железа с использованием как стандартных подходов на базе теории среднего поля и метода Монте-Карло, так и динамической теории спиновых флуктуаций. В динамической теории спиновых флуктуаций кулоновское отталкивание между парой локализованных на одном узле электронов заменяется взаимодействием каждого электрона с флуктуирующим полем посредством преобразования Хаббарда-Стратоновича. После этого магнитные свойства системы оцениваются в рамках функционального интегрирования путем усреднения по всем возможным конфигурациям поля. Данный формализм допускает учет комбинированного вклада спиновых флуктуаций и тепловых колебаний решетки; демонстрирует наилучшее согласие с экспериментальными данными [1]. С другой стороны бурное развитие методов машинного обучения и смежных направлений позволяет адаптировать данный подход к изучению магнитных систем. Используя нейросетевые алгоритмы, мы изучили магнитные фазы классической модели Гейзенберга на решетке Шастри-Сазерленда. Важно отметить тот факт, что несмотря на свою простоту модель Шастри-Сазерленда позволяет описать магнитные свойства некоторых квазидвумерных магнетиков с фрустрацией. Нами указано на возможность формирования в такой системе двумерного массива скирмионов (кристалл) при наличии конкурирующих обменного и взаимодействия Дзялошинского-Мории, что приводит к топологическому эффекту Холла для металлических систем [2]. Не менее бурное развитие на сегодняшний день переживает область квантовых вычислений и квантовых симуляций с использованием многокубитных квантовых систем. В качестве иллюстрации мы рассмотрели одномерную квантовую спиновую цепочку с конкурирующими обменным и взаимодействием Дзялошинского-Мории и исследовали возможность эмулировать неколлинеарную магнитную текстуру (в такой системе может быть стабилизирован магнитный солитон) с помощью вариационного квантового алгоритма поиска основного состояния (VQE). Наш анализ демонстрирует, что аппаратно-эффективный анзац позволяет качественно воспроизвести данную магнитную конфигурацию [3]. [1] Random iron-nickel alloys: From first principles to dynamic spin fluctuation theory G. V. Paradezhenko, D. Yudin, and A. A. Pervishko Physical Review B 104, 245102 (2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.245102 [2] Skyrmion-driven topological Hall effect in a Shastry-Sutherland magnet N. Swain, M. Shahzad, G. V. Paradezhenko, A. A. Pervishko, D. Yudin, and P. Sengupta Physical Review B 104, 235156 (2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevB.104.235156 [3] Numerical hardware-efficient variational quantum simulation of a soliton solution A. Kardashin, A. Pervishko, J. Biamonte, and D. Yudin Physical Review A 104, L020402 (2021) https://doi.org/10.1103/PhysRevA.104.L020402