Научные направления
Генерация, управление и перенос спинового тока в диэлектрических антиферромагнетиках
В последнее время было экспериментально продемонстрировано, что в тонких слоях антиферромагнетика NiO, контактирующего с ферромагнитным диэлектриком (железо-иттриевый гранат или ЖИГ), в котором возбужден ферромагнитный резонанс (ФМР) на частотах СВЧ, возможна передача спинового углового момента от ферромагнитного слоя слою Pt, расположенному на другой стороне слоя АФМ (см. рис. 1). Важно отметить, что частоты возбуждений в ЖИГе (9 ГГц) намного ниже, чем частота низшей моды резонанса в слое АФМ (220 ГГц). Следовательно, распространяющиеся АФМ спиновые волны не могут быть ответственны за наблюдаемый спиновый ток через АФМ и, так как используемый антиферромагнетик (NiO) является диэлектриком, спин-поляризованные электроны так же не могут вносить вклад в перенос спинового углового момента через слой АФМ. Спиновый ток может переноситься посредством возбуждения в слое антиферромагнитного диэлектрика пары эванесцентных мод спиновых волн. Этими модами спиновых волн обычно пренебрегают в объемных образцах АФМ, но в тонком слое АФМ диэлектрика эванесцентные моды спиновых волн единолично ответственны за перенос и преобразование спинового тока.
Спиновый ток в NiO не только передается от ферромагнитного слоя слою Pt, но и также преобразуется. NiO – кристалл с двухосной анизотропией, так что угловой момент в нем не сохраняется и эванесцентные моды спиновых волн могут «накачивать» дополнительный угловой момент от кристаллической решетки АФМ диэлектрика. Этот эффект полностью аналогичен эффекту двулучепреломления в оптике, где четвертьволновая пластинка расщепляет линейно-поляризованный свет (несущий нулевой угловой момент) в свет с круговой поляризацией, который уже переносит ненулевой угловой момент. В упомянутых выше экспериментах с АФМ NiO, этот слой, проводящий две эванесцентные моды спиновых волн, служит как «двулучепреломляющий» «спинтронный поляризатор».
Мы собираемся использовать тонкие пленки АФМ диэлектриков («спинтронные поляризаторы») для накачки спинового тока от решеток АФМ и доставки его либо до Pt, либо до соседнего ферромагнитного слоя. В качестве примера полезного устройства, использующего преобразование спинового тока в АФМ диэлектрике, мы демонстрируем концепцию преобразователя спинового тока и выпрямителя спинового тока.
Детекторы и генераторы сигналов на основе АФМ, работающие в суб-ТГц и ТГц частотном диапазоне
Возбуждение спиновых волн в АФМ осложняется тем, что частоты АФМ резонанса велики, а общая средняя намагниченность АФМ равна нулю. Таким образом, привычные методы возбуждения спиновых волн переменными магнитными полями, которые успешно применяются в ферромагнетиках, неэффективны для АФМ.
Мы считаем, что спиновые волны в АФМ могут быть возбуждены инжекцией постоянного спинового тока в АФМ. Этот спиновый ток сможет компенсировать, по крайней мере частично, магнитные потери в АФМ, и создать условия для автоколебаний на субтерагерцовых и терагерцовых собственных частотах АФМ спиновых волн.
В будущем «осцилляторы» на АФМ смогут работать в двух режимах: либо как резонансные детекторы внешнего ТГц излучения, либо как генераторы когерентных ТГц сигналов.
Одной из основных задач предложенной исследовательской программы будет поиск материалов, геометрий и конфигураций систем из диэлектрических АФМ, которые позволят нам возбуждать моды спиновых волн ТГц частотного диапазона в этих системах, используя внешне инжектированный спиновый ток разумных и экспериментально достижимых плотностей.
На рис. 2 схематически показывается принцип ТГц генератора, основанного на инжектировании в магнитный слой неравновесных электронов. Электронный ток протекает из участка I, который является проводящим ферромагнетиком с намагниченностью M1 через участок II («активный» слой), который также является ферромагнетиком, но с другой намагниченностью M2, и, наконец, стекает в участок III, являющийся обычным металлом. Электроны становятся поляризованными в слое I, инжектируются в участок II, где эти спин-поляризованные электроны неравновесны с локальными электронами. Эти ижектированные электроны могут перевернуть спин и понизить их энергию с излучением фотона соответствующей частоты. Переход с переворотом спина посредством излучения фотона может быть прямым или непрямым, с излучением фонона или магнона.
Одной из целей предложенной исследовательской программы является получение ясного представления о том, что определяет эффективность прямых и непрямых переходов с переворотом спина. Прямой процесс переворота спина трудно достижим, потому что токи, необходимы для разделения квазиуровней Ферми из спин-поляризованных электронов энергетического интервала 2µBUsdMs слишком велики для того, чтобы быть реализованными экспериментально (> 1010А/см2). С другой стороны, непрямые процессы с переворотом спина, в которых частота излучения зависит от электрического тока, могут начинаться с довольно малых значений токов, ≥107А/см2, но, так как эти процессы трех-частичные, их эффективное сечение взаимодействия всегда значительно меньше, чем для прямых процессов.
В ходе предложенного научного исследования мы планируем оптимизировать приведенную выше схему ТГц генератора следующим образом:
1) используя АФМ проводящий материал со слабым ферромагнетизмом, вызываемым взаимодействием Дзялошинского-Мории, где магнитные подрешетки в слое АФМ неколлинеарны. Дополнительный слабый магнитный момент того же порядка величины, что и магнитный момент, созданный инжектированными электронами, и эти подсистемы будут взаимодействовать, обеспечивая дополнительную степень свободы для управления излучением;
2) используя ферромагнитные полупроводники и полуметаллы в качестве поляризующих и активных магнитных слоев. В магнитном полупроводнике плотность электронов в зоне проводимости намного меньше чем в металлах. Следовательно, возможно достичь почти 100% поляризации электронов зоны проводимости, что упростит создание значительного количества неравновесных электронов.
Модуляция и управление излучением АФМ с использованием акустических волн
Разработка источников суб-терагерцового и терагерцового диапазона сама по себе является амбициозной целью, но также желательно найти способ сделать источник управляемым и подходящим для ТГц сигналов с ГГц модуляцией.
В этой исследовательской программе предлагается управлять ТГц излучением в диэлектрических и проводящих АФМ материалах, используя магнитоупругие и магнитоэлектрические эффекты.
Антиферромагнитная магноника
Высокое энергопотребление вызвало серьезные проблемы, ограничивающие масштабируемость и дальнейшую миниатюризацию современных логических устройств. Эта проблема стимулирует огромный интерес к исследованиям альтернативных технологий, которые могут превзойти ограничения, присущие комплементарной метал-окисел-полупроводник (КМОП) схемотехнике, и предоставить путь к более функциональным и менее энергоемким логическим устройствам и архитектурам. Использование спинтроники открывает широкие горизонты для развития энергонезависимой памяти и логических элементов и предоставляет новые подходы к передаче данных. Интеграция спиновых компонентов потребует совершенно новых решений для вычислительной архитектуры.
В предложенной исследовательской программе планируется развивать новую парадигму обработки информации энергоэффективными вычислениями, которые используют нейроморфные массивы АФМ нано-осцилляторов на эффекте переноса спинового момента (STNO), сверхбыстрые антиферромагнитные соединения между элементами, фазовое кодирование сигнала и основанную на интерференции голографическую обработку сигналов в памяти.