Согласно приоритетным направлениям научно-технического развития России переход к передовым цифровым, интеллектуальным производственным технологиям, требует разработки приборов электроники, работающих в терагерцовом диапазоне частот, что привлекает большое внимание в связи с интересными свойствами таких волн и перспективами их использования в сверхскоростных коммуникационных приборах и системах. Многие материалы, например, пластиковая взрывчатка, имеют уникальные «отпечатки пальцев» в терагерцовом спектральном диапазоне, поэтому такие приборы востребованы в аналитических и досмотровых системах, включая материаловедение, системы безопасности и мониторинга окружающей среды, медицину и др. Широкое применение приборов терагерцового диапазона сдерживается, в том числе, и из-за недостаточной эффективности существующих источников и приемников терагерцового излучения. При разработке приборов твердотельной электроники, необходимых для приборостроительной промышленности, информационно-коммуникационных систем, остро стоит вопрос о разработке малогабаритных твердотельных источников и приемников терагерцового излучения, надежно работающих в широком диапазоне температур.

Данный проект направлен на решение проблемы создания устройств обработки сигналов и логических устройств, функционирующих в терагерцовом диапазоне частот, в интересах стратегии научно-технического развития Российской Федерации, разработки новых энергоэффективных вычислительных систем для обработки больших объемов данных и искусственного интеллекта.

Цель проекта: разработка концепций генерации, обработки, передачи и приема сигналов терагерцовых (ТГц) частот на базе эффектов спинтроники и спин-фотоники, создание магнитных гетероструктур – прототипов энергоэффективных логических, волноводных и запоминающих устройств для систем обработки больших объемов данных, машинного обучения и искусственного интеллекта.

Задачи проекта:

1. Исследование механизмов передачи, преобразования и управления спинового тока в ферромагнетиках, антиферромагнетиках и ферримагнетиках.
2. Экспериментальные и теоретические исследования механизмов передачи спинового момента в диэлектрических и проводящих антиферромагнитных материалах.
3. Исследование магнитных, электронных и механических свойств ферромагнитных и антиферромагнитных гетероструктур, в том числе материалов с доменными границами.
4. Разработка прототипов устройств, демонстрирующих возможность управления спиновым потоком, таких как преобразователи и выпрямители спин-зарядовых потоков, в электрофизических информационных системах на основе ферромагнитных и антиферромагнитных материалов.
5. Исследование процессов генерации и детектирования субтерагерцового и терагерцового электромагнитного излучения в гетероструктурах с ферромагнитными и антиферромагнитными слоями под действием оптических, терагерцовых импульсов и импульсов тока.
6. Исследование тепловых спиновых эффектов, таких как спиновые эффекты Зеебека и Пельтье, возникающие при действии электрического тока и оптических лазерных импульсов на многослойные гетероструктуры, содержащие ферро-, антиферро- и ферримагнитные слои.
7. Исследование процессов модуляции и управления генерацией субтерагерцового и терагерцового электромагнитного излучения в антиферромагнитных и ферромагнитных средах с использованием поверхностных акустических волн и механических деформаций, индуцированных приложенным электрическим напряжением.
8. Исследование методов и механизмов возбуждения спиновых волн в антиферромагнетных материалах, с возможностью использования диэлектрических антиферромагнетиков в качестве волноводов для магнонных логических устройств в диапазоне терагерцовых частот для новых энергоэффективных вычислительных систем обработки больших объемов данных и искусственного интеллекта.

Планируемые результаты:

1. Будет разработана всесторонняя теория для качественно понятного и количественно корректного описания процессов распространения линейных и нелинейных спиновых волн и механизмов передачи крутильного момента в диэлектрических и проводящих средах из слоев ферромагнетиков и антиферромагнетиков нанометровых толщин.
2. Будут изготовлены гибридные наногетероструктуры ферромагнетик/антиферромагнетик/платина и исследованы их свойства, включая измерения коэффициента передачи спинового тока через диэлектрические слои антиферромагнетика.
3. Будет разработана теория наноосциллятора с передачей крутильного момента на основе использования диэлектрических антиферромагнетиков, которая будет давать количественную оценку для величин пороговых токов, необходимых для генерации терагерцового излучения, а также для частот генерации, для предельных амплитуд излучения и для уровня генерированного фазового шума.
4. Будет развита теория возбуждения магнитных колебаний в антиферромагнетиках при одновременном действии на структуру электрического тока и оптических лазерных импульсов фемтосекундной/пикосекундной длительности.
5. Будут разработаны и изготовлены гибридные наноструктуры антиферромагнетик/платина, антиферромагнетик/ферромагнетик, в интересах создания генераторов и приемников терагерцового излучения.
6. Будут разработаны прототипы гибридных наноустройств для создания модуляторов ТГц излучения с использованием поверхностных акустических волн и механического напряжения. Будет вычислено акустомагнитное взаимодействие в магнитных средах из тонких нанослоев антиферромагнетик/пьезоэлектрик.
7. Будут разработаны и изготовлены ферромагнитные и антиферромагнитные волноводы, связывающие несколько наноосцилляторов с передачей крутильного момента на основе использования магнитных сред из антиферромагнитных диэлектрических материалов. Будет развита теория механизма синхронизации наноосциллятора с передачей крутильного момента на основе антиферромагнитных сред.
8. Не менее 10 статей по направлению научного исследования, опубликованные в научных изданиях, индексируемых в базе данных «Сеть науки» (Web of Science), из них 5 статей в изданиях 1-го квартиля.
9. Не менее 2 монографий или обзоров (обобщающих фундаментальных работ), изданных по результатам научных исследований, индексируемых в Web of Science. Будут поданы заявки на получение не менее 4 патентов и других охранных документов, закрепляющих права на владение интеллектуальной собственностью.