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 23-12-00251
НазваниеВысокочастотная cпиновая динамика в антиферромагнитных кристаллах и гетероструктурах, индуцированная электрическими и деформационными воздействиями
РуководительКалашникова Александра Михайловна, кандидат наук (признаваемый в РФ PhD)
Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе Российской академии наук, г Санкт-Петербург
| Период выполнения при поддержке РНФ | 2023 г. - 2025 г. |
Конкурс№80 - Конкурс 2023 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами».
Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе, 02-207 - Магнитные явления
Ключевые словаАнтиферромагнетики, ферримагнетики, спиновая динамика, электрические токи и поля, упругие деформации, пикосекундная акустика, фемтомагнетизм
Код ГРНТИ29.19.43
ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ
Аннотация
Антиферромагнетики являются перспективными материалами для спинтроники, поскольку они устойчивы к воздействию магнитных полей, не создают размагничивающих полей и демонстрируют спиновую динамику в терагерцовом частотном диапазоне. Однако практическая реализация антиферромагнитной спинтроники требует эффективных методов возбуждения спиновой динамики в антиферромагнетиках, а также способов детектирования их магнитных состояний. Поскольку контроль антиферромагнетиков внешним магнитным полем характеризуется необходимостью генерации сильных полей, высоким энергопотреблением и проблемой масштабирования, особое значение приобретает изучение немагнитных воздействий на антиферромагнетики,таких как электрические поля, спин-поляризованные токи, оптические импульсы и упругие деформации. Это свидетельствует об актуальности предлагаемого проекта, посвящённого исследованиям высокочастотной спиновой динамики, возбуждаемой в антиферромагнитных кристаллах и гетероструктурах электрическими и деформационными воздействиями. Будут проведены экспериментальные и теоретические исследования, направленные на демонстрацию возбуждения спиновой динамики с частотами от 100 ГГц до ТГц в антиферромагнетиках и ферримагнетиках тремя типами воздействий:
(i) Электрические токи, создающие спиновые вращающие моменты (генерируемые традиционными электрическими способами или при фемтосекундном оптическом возбуждении).
(ii) Электрические поля, в том числе поля терагерцовых электромагнитных импульсов.
(iii) Высокочастотные упругие волны и оптически-генерируемые пикосекундные деформационные импульсы, спектры которых содержат терагерцовые компоненты.
Планируемые оригинальные исследования позволят установить новые возможности электрического и деформационного возбуждения и контроля различных видов спиновой динамики в антиферромагнитных и ферримагнитных кристаллах, пленках и наноэлементах.
В экспериментальных исследованиях мы задействуем возможности, предоставляемые фемтосекундными лазерными импульсами для создания коротких импульсов спин-поляризованных токов, электромагнитных импульсов терагерцового диапазона и импульсов деформаций. Будет продемонстрирована спиновая динамика, возбуждаемая такими импульсами за счёт переноса спина, магнитоэлектрического, магнитоупругого и пьезомагнитного эффектов в ряде модельных антиферромагнитных и ферримагнитных кристаллах и гетероструктур. На всех этапах проекта экспериментальные исследования будут поддержаны теоретическими моделями.
Запланированные теоретические исследования имеют и самостоятельные задачи, которые в основном будут решаться с помощью микромагнитного моделирования, использующего собственные компьютерные программы. Разработанные заявителями программы моделирования ферромагнитных гетероструктур будут усовершенствованы таким образом, чтобы обеспечить детальное описание антиферромагнитных и ферримагнитных материалов и гетероструктур. Равновесные состояния и спиновая динамика таких материалов будут определяться путем численного решения системы уравнений Ландау-Лифшица-Гильберта (ЛЛГ) для ансамбля спинов, связанных между собой обменными и диполь-дипольными взаимодействиями. При изучении воздействия спин-поляризованного тока уравнение ЛЛГ будет дополнено вращающим моментом, создаваемым переносом спина. Протекание электрического тока через примыкающий слой тяжелого металла или топологического изолятора будет учитываться введением спин-орбитального момента. Моделирование воздействия динамических упругих деформаций будет основано на численном решении системы дифференциальных уравнений, включающей уравнение ЛЛГ и динамическое уравнение теории упругости, дополненное магнитоупругими членами. Это позволит учесть не только прямое воздействие деформаций на спиновую динамику, обусловленное магнитоупругим вкладом в эффективное поле, но и обратное влияние переориентаций спинов на деформации магнитного материала.
Ожидаемые результаты
В результате выполнения проекта будут получены новые знания о спиновой динамике в антиферромагнитных и ферримагнитных кристаллах и гетероструктурах, подвергаемых электрическим и деформационным воздействиям с различными спектрами, генерируемым как традиционными, так и сверхбыстрыми оптическими методами. Изучение способов возбуждения и контроля различных видов спиновой динамики без использования переменных магнитных полей позволит сформулировать рекомендации по разработке и оптимизации спин-электронных и магнонных устройств, характеризующихся высоким быстродействием, низким энергопотреблением и устойчивостью к воздействию внешних магнитных полей.
В части проекта, посвященной исследованиям электрически индуцированной спиновой динамики, будут теоретически описаны прецессия антиферромагнитных спинов и переориентации параметра порядка (вектора Нееля), возбуждаемые спин-поляризованными электрическими токами в гетероструктурах, содержащих слои металлических антиферромагнетиков и ферромагнетиков. Также запланировано описание автоосцилляций антиферромагнитных моментов и переключения вектора Нееля, порождаемых спин-орбитальным моментом, который возникает в результате протекания тока в тяжелом металле или топологическом изоляторе, прилегающем к антиферромагнитному нанослою. Ожидаемые результаты включают и описание антиферромагнитных спиновых волн, возбуждаемых короткими импульсами электрического тока. Экспериментально будет реализовано возбуждение динамики антиферромагнитного вектора короткими импульсами спин-поляризованного тока, которые генерируются при возбуждении гетероструктур «ферромагнетик-антиферромагнетик» или «ферромагнетик-немагнитный металл-антиферромагнетик» фемтосекундными лазерными импульсами.
При исследовании воздействия электрических полей будут получены численные результаты по спиновой динамике в гетероструктурах «антиферромагнетик-диэлектрик» с электрочувствительной интерфейсной анизотропией, модулируемой с помощью электрического поля в диэлектрическом нанослое. При этом особый интерес представляет выяснение особенностей электрически индуцированной динамики антиферромагнитных доменных стенок и скирмионов, которая может сопровождаться многоуровневым переключением сопротивления в полидоменных антиферромагнитных пленках. В результате экспериментального изучения воздействия электрических полей будет продемонстрировано возбуждение спиновой динамики в антиферромагнетиках и ферримагнетиках с ярко выраженными магнитоэлектрическими свойствами (как собственными, так и связанными с интерфейсами), индуцированной быстро меняющимися электрическими полями однопериодных терагерцовых электромагнитных импульсов.
В рамках изучения динамических деформаций как способа управления антиферромагнетиками будут теоретически и экспериментально изучены спиновые явления, порождаемые упругими волнами и импульсами, которые должны оказывать сильное воздействие на антиферромагнетики благодаря возможности достижения высокочастотных магнитоупругих резонансов. Для получения надежных количественных результатов будет проведено компьютерное моделирование взаимосвязанной упругой и магнитной динамики в антиферромагнитных кристаллах и гетероструктурах. Это позволит нам описать механически индуцированную прецессию вектора Нееля и определить характеристики и дисперсионные соотношения спиновых волн, порождаемых высокочастотными продольными и поперечными упругими волнами. В экспериментах будет продемонстрировано возбуждение ферро- и антиферомагнитных мод прецессии при возникновении или инжектировании в антиферромагнетик пикосекундных импульсов деформации. Полученные результаты будут использованы для расчета спиновой накачки в немагнитные металлы и полупроводники, генерируемой динамически деформациями в антиферромагнитных пленках. При получении удовлетворительных оценок такой накачки, будут проведены эксперименты по её детектированию в структуре «антиферромагнетик-немагнитный металл». Также будут определены спектры спиновых возбуждений, возникающих в тонких антиферромагнитных пленках под воздействием коротких деформационных импульсов, и установлена зависимость этих спектров от толщины пленки и магнитных граничных условий. Наконец, будет проведено численное моделирование антиферромагнитных доменных стенок и скирмионов в тонких пленках и наноостровках, которое позволит определить их отклики на упругие волны и импульсы деформаций, инжектируемые в антиферромагнитный материал.
Ожидаемые новые результаты проекта, полученные с использованием современных экспериментальных и теоретических подходов, будут соответствовать мировому уровню исследований антиферромагнетиков и в значительной части иметь перспективы практического использования при разработке усовершенствованных устройств записи и обработки данных, способствующих энергосбережению при функционировании информационных систем.
ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Аннотация результатов, полученных в 2023 году
Для описания магнитной динамики, возбуждаемой в антиферромагнетиках спин-поляризованными электрическими токами, разработана программа для атомистического моделирования динамики магнитных моментов и проведены расчеты пространственно-временного распределения спиновой аккумуляции. Работа программы реализована для коллинеарного металлического антиферромагнетика Mn2Au, подвергаемого воздействию вращающего момента, обусловленного переносом спина (spin-transfer torque - STT). Численные расчеты спиновой динамики выполнены для гетероструктур Fe(Ni)/Cu/Mn2Au/Cu/Fe(Ni), в которых неравновесная спиновая поляризация создается пропусканием постоянного или импульсного электрического тока. Моделирование наноструктуры Fe/Cu/Mn2Au/Cu/Fe показало, что пикосекундный импульс тока определенной длительности и амплитуды переориентирует вектор Нееля на 90° в ультратонком слое Mn2Au. Длительность процесса переключения составляет порядка 5 пс, а направление поворота зависит как от полярности тока, так и от ориентаций намагниченности внутри слоев Fe. В свою очередь в наноструктуре Ni/Cu/Mn2Au/Cu/Ni при плотностях постоянного тока, превышающих критическую величину порядка 10^10 А м^(-2), возникают стабильные автоколебания вектора Нееля вокруг направления [001]. Такие автоколебания вектора Нееля происходят в широком «окне токов» и не подавляются термическими флуктуациями. Предложено качественное объяснение динамики описанного антиферромагнитного STT-осциллятора, заключающееся в совместном действии STT и поля магнитокристаллической анизотропии Mn2Au, стремящегося удержать вектор Нееля в кристаллографической плоскости (001). Кроме того, обнаружено, что при выключении тока в процессе автоколебаний может происходить 180° переключение вектора Нееля в наноструктуре Ni/Cu/Mn2Au/Cu/Ni.
В рамках исследований магнитоакустических явлений разработана и протестирована компьютерная программа, позволяющая моделировать взаимосвязанную магнитную и упругую динамику в антиферромагнетиках и ферримагнетиках с помощью рассмотрения двух спиновых подрешеток. С помощью разработанной программы выполнено микромагнитоупругое моделирование толстых и тонких пленок оксида никеля, подвергаемых воздействию акустических импульсов разной длительности. Полученные для плёнки NiO толщиной 834 нм результаты показали, что распространяющийся биполярный импульс продольной деформации генерирует коррелированные прецессии магнитных моментов двух подрешеток, которые происходят по и против часовой стрелки в широкой области за фронтом импульса. При этом спиновая динамика, возбуждаемая импульсами с длительностью менее 7 пс, включает в себя монохроматическую спиновую волну с частотой около 450 ГГц. Более того, при длительности 3 пс возникает вторая монохроматическая волна, имеющая частоту около 2 TГц. Путем сравнения вычисленных дисперсий спиновых и упругих волн в NiO установлено, что выявленные монохроматические магноны возникают вследствие двух магнитоакустических резонансов, существующих в этом антиферромагнетике. Важно, что акустические импульсы с длительностями 3 пс и меньше создают возможность генерации терагерцовых и субтерагерцовых антиферромагнитных магнонов в отсутствие внешних магнитных полей. В свою очередь моделирование воздействия пикосекундных биполярных акустических импульсов и наносекундных прямоугольных импульсов на плёнки NiO с толщиной 10-20 нм показало, что в них возбуждается набор стоячих спиновых волн. При этом большие амплитуды имеют стоячие волны с частотами, представленными в спектре акустического импульса. Наиболее эффективными для генерации высокочастотных магнонов оказались биполярный импульс длительностью 1 пс и прямоугольный импульс, которые возбуждают волны с частотами 2.5 ТГц и выше
Также проведён анализ возможности акустического возбуждения высокочастотной спиновой динамики в антиферромагнитных сплавах IrMn и MnPt. Для этого рассчитаны дисперсионные соотношения спиновых и упругих волн с использованием материальных параметров IrMn и MnPt, определенных из литературных данных. Было обнаружено, что из-за высокой частоты антиферромагнитного резонанса (~4 ТГц в IrMn и ~2 ТГц в MnPt) и высокой скорости антиферромагнитных спиновых волн, превышающей скорость продольных упругих волн в 16 раз в IrMn и в 9 раз в MnPt, дисперсионные кривые этих волн не имеют точек пересечения, что свидетельствует о невозможности магнитоакустического резонанса в этих материалах.
В части экспериментальных исследований проведены работы по генерации пикосекундных импульсов деформации в антиферромагнетиках NiO и FeRh и ферримагнетике сложно-замещённом феррите-гранате. В антиферромагнитных материалах целью исследований было выявление особенностей генерации пикосекундных деформаций, связанных с антиферромагнитным упорядочением, а также наблюдение отклика магнитной подсистемы на такие воздействия. В ферримагнитном феррите-гранате удалось продемонстрировать генерацию, распространение вглубь образца и детектирование магнитоупругой волны, возникающей при инжектировании в плёнку пикосекундного импульса деформации. Полученный результат важен для развития ферри- и антиферромагнитной спинтроники, т.к. предлагает подход к эффективной генерации когерентного вертикального спинового транспорта в таких материалах.
Кроме того, проведены исследования генерации пикосекундных импульсов ТГц электромагнитного излучения в спинтронных эмиттерах на основе систем Co-Pt с различными типами интерфейсов между переходным и тяжёлым металлом. Продемонстрировано существенное увеличение эффективности генерации ТГц излучения с структуре со сложным градиентным интерфейсом между слоями Co и Pt. Это свидетельствует о значительном влиянии такого интерфейса на обратный спиновый эффект Холла, ответственный за преобразование лазерно-индуцированного размагничивания в Co в короткий импульс электрического тока в Pt, служащего источников ТГц излучения.
Публикации
1. Никитченко А.И., Перцев Н.А. Domain wall motion in ferromagnetic nanostructures with a voltage-controlled gradient of perpendicular anisotropy and Dzyaloshinskii-Moriya interaction Physical Review B, - (год публикации - 2023)