Высокочастотная cпиновая динамика в антиферромагнитных кристаллах и гетероструктурах, индуцированная электрическими и деформационными воздействиями

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 проекта 23-12-00251

НазваниеВысокочастотная cпиновая динамика в антиферромагнитных кристаллах и гетероструктурах, индуцированная электрическими и деформационными воздействиями

Руководитель Калашникова 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

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 слова Антиферромагнетики, 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.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

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)

2. Федянин А. Е., Калашникова А. М., Ментинк Й. Х Spontaneous and impulsive stimulated Raman scattering from two-magnon modes in a cubic antiferromagnet Physical Review B, том 110, номер 17б стр. 174439 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.174439

3. Полетаева А. М., Никитченко А. И., Перцев Н. А. Neel Vector Auto-Oscillations and Reorientations Induced by Spin-Polarized Electric Currents in Antiferromagnetic Mn2Au Nanolayer SPIN, том 14, номер 4, статья 2450017 (год публикации - 2024)
10.1142/S2010324724500176

4. Шелухин Л. А., Кузикова А. В., Телегин А. В., Бессонов В. Д., Огнев А. В., Самардак А. С., Юнхо Парк, Йонг Кеун Парк, А. М. Калашникова Enhanced laser-induced single-cycle terahertz generation in a spintronic emitter with a gradient interface Taylor&Francis, Science and Technology of Advanced Materials (год публикации - 2024)
10.48550/arXiv.2410.18591

5. Азовцев А.В., Перцев Н.А. THz and sub-THz antiferromagnetic magnons via magnetoacoustic resonances excited by picosecond strain pulses in NiO Physical Review Materials, том 8, номер 4, статья 044404 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevMaterials.8.044404

6. Азовцев А.В., Перцев Н.А. Antiferromagnetic standing spin waves generated in NiO thin films by short strain pulses Physical Review B, том 110, номер 14, статья 144430 (год публикации - 2024)
10.1103/PhysRevB.110.144430

Аннотация результатов, полученных в 2024 году
Проведено атомистическое моделирование спиновой динамики в нанослоях антиферромагнетика Mn2Au при воздействии спин-орбитального вращающего момента (spin-orbit torque - SOT), порождаемого электрическим током. Исследовано влияние неелевского вращающего момента (staggered SOT), создаваемого протекающим в слое Mn2Au зарядовым током, и воздействие спинового тока, генерируемого за счет спинового эффекта Холла в прилегающей пленке Pt. Моделирование одиночного нанослоя Mn2Au подтвердило возможность 90-градусной переориентации вектора Нееля, которую можно обнаружить через анизотропное магнетосопротивление. Уменьшение магнитокристаллической анизотропии с ростом температуры существенно снижает плотность тока, необходимую для переориентации. Для двойного слоя Mn2Au/Pt продемонстрировало возбуждение авто-осцилляций вектора Нееля постоянным электрическим током. Осцилляции создаются диссипативным SOT, обусловленным спиновой аккумуляцией внутри слоя Mn2Au, порождаемой спиновым током в Pt. В наноструктуре Py/Mn2Au/Py постоянный электрический ток индуцирует взаимосвязанные осцилляции вектора Нееля Mn2Au и намагниченностей слоев Py. Эти осцилляции приводят к 90-градусной переориентации вектора Нееля и затухают со временем. При увеличении отношения толщин нанослоев Mn2Au и Py время переориентации падает с 20 пс до 2 пс, а частота прецессии вектора Нееля возрастает с 250 ГГц до 1.5 ТГц. Таким образом, продемонстрирована генерация коротких импульсов высокочастотной антиферромагнитной динамики с помощью постоянного тока. Впервые описана магнитоупругая динамика, возбуждаемая в антиферромагнетике постоянным электрическим током. Микромагнитное моделирование структуры MgO/NiO/Pt выявило возбуждение взаимосвязанных автоосцилляций вектора Нееля и акустических фононов при достижении пороговой плотности тока в платине. Из-за магнитоупругого взаимодействия автоосцилляции спинов порождают колебания кристаллической решетки NiO с удвоенной частотой. Эти колебания существенно снижают частоту автоосцилляций вектора Нееля, которая линейно возрастает с увеличением плотности тока. Предсказана возможность генерации терагерцовых продольных и поперечных упругих волн в немагнитном материале с помощью присоединенного антиферромагнитного наноосциллятора. Выполнено атомистическое моделирование антиферромагнитной гетероструктуры с электрочувствительной магнитной анизотропией для [001]-ориентированной пленки Mn2Au с перпендикулярной интерфейсной анизотропией, создаваемой диэлектриком. Периодические изменения величины интерфейсной анизотропии, порождаемые переменным электрическим полем в диэлектрике, индуцируют осцилляции направления вектора Нееля в Mn2Au. Амплитуда осцилляций немонотонно зависит от частоты поля, достигая максимума при резонансной частоте приповерхностного слоя Mn2Au. Впервые продемонстрировано возбуждение спиновых волн в антиферромагнетике с помощью модуляции интерфейсной анизотропии. Описана спиновая динамика, возбуждаемая в монокристалле NiO и гетероструктуре MgO/NiO/Pt продольными и поперечными упругими волнами. Инжектируемая в NiO монохроматическая волна порождает в нем две антиферромагнитные спиновые волны той же частоты, имеющие разную длину, амплитуду и скорость. Это «вынужденная» спиновая волна с длиной и скоростью, задаваемыми упругой волной, и «свободная» спиновая волна, обладающая дисперсией антиферромагнитных магнонов. Поскольку последняя пересекается с дисперсией продольных упругих волн, выявлена генерация в NiO магнитоупругих волн с частотами, близкими к частоте пересечения. Моделирование гетероструктуры MgO/NiO/Pt позволило рассчитать спиновый ток, возникающий в платине из-за прецессии спинов в NiO. Амплитуда переменной компоненты этого тока на границе слоя Pt составляет порядка 5000 нДж/м2 при частоте прецессии, равной 1.1 ТГц. Исследована лазерно-индуцированная генерация поверхностных акустических волн в плёнке антиферромагнетика FeRh на подложке MgO. При воздействии лазерными импульсом в FeRh индуцировался струкутрный переход. Характерные времена перестройки кристаллической решётки позволяют ожидать, что такая трансформация будет давать вклад в генерацию импульсов поверхностных акустических волн. Методикой интерферометрии Саньяка удалось наблюдать динамические сдвиги приповерхностных атомов в процессе распространения индуцированных акустических импульсов. Была идентифицирована лазерно-индуцированная волна Релея с амплитудой, имеющей вклад от лазерно-индуцированного структурного перехода. Таким образом, мы осуществили генерацию пакета поверхностных акустических волн, распространяющихся в антиферромагнетике и имеющих увеличенную амплитуду. Показано 2-х кратное увеличение эффективности генерации однопериодных импульсов ТГц излучения в структуре спинтронного эмиттера Co/Pt с 1.2-нм градиентным интерфейсом. Увеличение эффективности связано с почти 3-х кратным увеличением пропускания спин-поляризованного тока градиентным интерфейсом по сравнению с резким. Полученные результаты открывают возможности по оптимизации спинтронных эмиттеров ТГц импульсов за счёт подбора оптимальной толщины и резкости градиента концентрации на интерфейсах между ферромагнитным слоями и слоями немагнитных или антиферромагнитных металлов с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Проведено теоретическое исследование оптического детектирования когерентных двухмагнонных мод в антиферромагнетиках. Такие моды могут быть индуцированы изменением обменного взаимодействия при импульсных оптических, электрических или деформационных воздействиях, и являются прямым способом изучения таких изменений. Мы предложили теоретическое описание когерентных и некогерентных двухмагнонных мод в кубическом антиферромагнетике в терминах псевдовектора спиновых корреляций и эффективных обменных полей. Мы получили аналитические выражения для спектров оптически-детектируемых двухмагнонных мод в экспериментах накачки-зондирования и в стандартных экспериментах по комбинационному рассеянию света и выявили ряд особенности спектров когерентных двухмагнонных мод.

Публикации