Лаборатория физики для нейроморфных вычислительных систем
МИРЭА — Российский технологический университет,
институт перспективных технологий и индустриального программирования
Основная цель проекта
Заложить научную основу для радикального повышения энергоэффективности и операционной скорости информационных и коммуникационных технологий (ИКТ) за счет использования функционирующих на принципах работы человеческого мозга или нейроморфных концепций, основанных на управляемом манипулировании множественными состояниями в (2D-) мультиферроидных материалах при помощи оптического излучения, магнитного и электрического поля, механических напряжений с конечной целью создания ИКТ-устройств с низким энергопотреблением.
Задачами проекта являются
Развитие представлений об управляемой множественности и пластичности в ферроидных материалах на основе: а) подвижности ферроидных доменных стенок; б) отклика магнитных и спиновых структур на воздействие электрического поля через магнитоэлектрическое взаимодействие; в) отклик магнитных и сегнетоэлектрических структур на механические напряжения (стрейнтроника); г) интерфейсные эффекты на границах ферроик/двумерные материалы
Разработка концепций повышения быстродействия и энергоэффективности ферроиков за счет управления магнитными спиновыми структурами/степенями свободы при помощи ультракоротких лазерных импульсов
Разработка методов визуализации эффектов по пунктам 1) и 2), включая (нелинейную) динамику спинов, механических напряжений и доменных границ
Разработка элементов, использующих принципы организации мозга, таких как синапсы и нейроны, на основе (2D) ферроидных материалов: мемристоров, спиновых затворов, элементов стрейнтроники
Разработка концепций энергоэффективных ИКТ-архитектур на основе разработанных материалов и эффектов
На основе проведенного обзора показано, что наиболее перспективными материалами для запланированных исследований являются одно- и мультикомпонентные мультиферроики. Для поиска оптимальных материалов для нейроморфных приложений представляется важным, что сегнетоэлектрические и магнитные свойства подвержены влиянию механических напряжений на границах раздела слоев в мультислойных мультиферроиках, что дает дополнительную степень свободы и требует проведения комплексных фундаментальных исследований в данной области. Значительный потенциал для исследований представляют мультиферроидные доменные стенки вместе с предлагаемым энергоэффективным оптическим контролем искусственных синапсов. Особый интерес представляют в этой связи двумерные функциональные материалы, которые позволяют обеспечить необходимые требования и условия масштабирования. К данным материалам могут относиться 2D ван-дер-ваальсовские магниты, 2D ван-дер-ваальсовские полупроводники, а также гетероструктуры на основе 2D ван-дер-ваальсовских материалов и наноразмерных пленок ферроиков
Проведены экспериментальные исследования физических свойств объемных полупроводниковых слоистых кристаллов дихалькогенидов переходных металлов (ДПМ), а именно WSe2, WS2, MoSe2 и MoS2, созданных методом химического осаждения из газовой фазы. Показано, что наименьшей дефектностью поверхности обладает кристаллит WSe2 . Латеральные размеры образцов составляют 1000 мкм для MoS2, 600 мкм для MoSe2, 1000 мкм для WS2 и 400 мкм для WSe2.
Для определения состава приповерхностного слоя полученных кристаллитов, использовалась методика спектроскопии комбинационного рассеяния. Характерные значения положений максимумов, соответствующих A1G моде для MoSe2, MoS2,WS2 и WSe2, составляют 259 см-1, 406 см-1, 417 см-1, 248 см-1, а соответствующих E2G моде - 347 см-1, 380 см-1,349см-1 и 248 см-1 соответственно. Эти результаты совпадают с данными, приведенными в научно-технической литературе.
Кристаллографические свойства и состав образцов объемных кристаллов ДПМ были исследованы методом рентгеновской дифракции. Полученные дифрактограммы соответствуют монокристаллическому состоянию образцов, которые ориентированы вдоль плоскости (001).
Проведены экспериментальные исследования свойств пленок смешанных редкоземельных феррит-гранатов состава (BiLu)3(FeGa)5O12, выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках из немагнитного граната Gd3Ga5O12 с (210)-ориентацией и толщиной 10 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о высокой однородности, малой плотности дефектов и низкой шероховатости полученной пленки (по результатам исследования образца методом атомно-силовой микроскопии, параметр шероховатости равен 1.416 нм).
Для изучения структуры поверхности образца была применена комплексная методика, включающая в себя оптическую и поляризационную микроскопию и микроскопию второй оптической гармоники. Показано, что дефекты поверхности, видимые на оптических фотографиях, не изменяют политипизм пленки. Состав поверхности пленок исследовался методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Полученные результаты свидетельствуют об однородности пленки и отсутствии ярко выраженных примесей и дефектов.
Исследованы базовые свойства пленки висмут-замещенного феррит-граната (Bi,Ga-YIG), выращенного методом жидкофазной эпитаксией на подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ). Ориентация подложки (210), толщина пленки 10 мкм. Для подтверждения наличия точки компенсации измерены петли магнитооптического гистерезиса. Показано, что эпитаксиальные пленки граната, выращенные на подложке (210) GGG, обладают одноосной и орторомбической магнитной анизотропией. Проведены исследования доменной структуры пленок методом поляризационной микроскопии.
По результатам исследования по данному направлению опубликована статья Evgeny A. Mashkovich , Kirill A. Grishunin, Anatoly K. Zvezdin, Thomas G. H. Blank ,Alexander G. Zavyalov , Paul H. M. van Loosdrecht ,1 Alexandra M. Kalashnikova , and Alexey V. Kimel . Terahertz-driven magnetization dynamics of bismuth-substituted yttrium iron-gallium garnet thin film near a compensation point. PHYSICAL REVIEW B 106, 184425 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.184425
Для определения состава приповерхностного слоя полученных кристаллитов, использовалась методика спектроскопии комбинационного рассеяния. Характерные значения положений максимумов, соответствующих A1G моде для MoSe2, MoS2,WS2 и WSe2, составляют 259 см-1, 406 см-1, 417 см-1, 248 см-1, а соответствующих E2G моде - 347 см-1, 380 см-1,349см-1 и 248 см-1 соответственно. Эти результаты совпадают с данными, приведенными в научно-технической литературе.
Кристаллографические свойства и состав образцов объемных кристаллов ДПМ были исследованы методом рентгеновской дифракции. Полученные дифрактограммы соответствуют монокристаллическому состоянию образцов, которые ориентированы вдоль плоскости (001).
Проведены экспериментальные исследования свойств пленок смешанных редкоземельных феррит-гранатов состава (BiLu)3(FeGa)5O12, выращенных методом жидкофазной эпитаксии на подложках из немагнитного граната Gd3Ga5O12 с (210)-ориентацией и толщиной 10 мкм. Полученные результаты свидетельствуют о высокой однородности, малой плотности дефектов и низкой шероховатости полученной пленки (по результатам исследования образца методом атомно-силовой микроскопии, параметр шероховатости равен 1.416 нм).
Для изучения структуры поверхности образца была применена комплексная методика, включающая в себя оптическую и поляризационную микроскопию и микроскопию второй оптической гармоники. Показано, что дефекты поверхности, видимые на оптических фотографиях, не изменяют политипизм пленки. Состав поверхности пленок исследовался методом спектроскопии комбинационного рассеяния. Полученные результаты свидетельствуют об однородности пленки и отсутствии ярко выраженных примесей и дефектов.
Исследованы базовые свойства пленки висмут-замещенного феррит-граната (Bi,Ga-YIG), выращенного методом жидкофазной эпитаксией на подложке из гадолиний-галлиевого граната (ГГГ). Ориентация подложки (210), толщина пленки 10 мкм. Для подтверждения наличия точки компенсации измерены петли магнитооптического гистерезиса. Показано, что эпитаксиальные пленки граната, выращенные на подложке (210) GGG, обладают одноосной и орторомбической магнитной анизотропией. Проведены исследования доменной структуры пленок методом поляризационной микроскопии.
По результатам исследования по данному направлению опубликована статья Evgeny A. Mashkovich , Kirill A. Grishunin, Anatoly K. Zvezdin, Thomas G. H. Blank ,Alexander G. Zavyalov , Paul H. M. van Loosdrecht ,1 Alexandra M. Kalashnikova , and Alexey V. Kimel . Terahertz-driven magnetization dynamics of bismuth-substituted yttrium iron-gallium garnet thin film near a compensation point. PHYSICAL REVIEW B 106, 184425 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.184425
Методом поляризационной и нелинейно-оптической микроскопии с разрешением по поляризации определены оптимальные параметры визуализации с наибольшим контрастом доменной структуры и доменных границ с нетривиальным распределением намагниченности в геометриях “на отражение” и “на пропускание” магнитных пленок ферритов-гранатов состава (BiLu)3(FeGa)5O12 толщиной порядка 10 мкм на подложке Gd3Ga5O12 с (210)-ориентацией. Магнитные характеристики исследуемого образца и особенности взаимодействия намагниченности структуры с внешним магнитным полем определялись методом нелинейного магнитооптического эффекта Керра.
Разработана и создана экспериментальная установка, позволяющая одновременно получать изображение исследуемой структуры методом линейной поляризационной микроскопии и регистрировать нелинейно-оптический сигнал (в частности, второй оптической гармоники) с разрешением по поляризации как зондирующего излучения, так и рассеянного сигнала. Достигнута возможность проведения измерений в геометрии “на отражение” и “на пропускание”. Методом микроскопии магнитоиндуцированной второй гармоники реализована возможность визуализации латеральной и перпендикулярной компонент намагниченности в одиночном домене и доменной стенке. Измерены зависимости сигнала магнитоиндуцированной второй гармоники от внешнего магнитного поля в геометрии меридионального эффекта Керра, благодаря которым удалось выделить вклад квадратичных по намагниченности (четных) компонент поляризации среды, играющих важную роль в (флексо-) магнитоэлектрическом взаимодействии.
Исследовано поведение доменной структуры и определены параметры отклика при локальном внешнем воздействии на магнитную пленку: приложенном постоянном внешнем электрическом поле, механической упругой деформации и взаимодействии с лазерным излучением с высокой плотностью мощности. Было проанализировано поведение доменной стенки с локализованным в ней (флексо-) магнитоэлектрическим взаимодействием в зависимости от параметров внешнего воздействия и полярности, и величины внешнего магнитного поля (латерального и нормального). Определены значения внешнего латерального и перпендикулярного поля насыщения, характеризующие переход в монодоменное состояние, в магнитной пленке феррит-граната толщиной 10 мкм состава (BiLu)3(FeGa)5O12: 400Э и 280 Э соответственно.
Обнаружен эффект сдвига доменной стенки “неелевского” типа в исследуемом образце на расстояние вплоть до 8 мкм при прикладывании постоянного внешнего электрического поля с напряжением до 1000 В в перпендикулярном внешнем магнитном поле, зависящий от полярности приложенного напряжения. Показана возможность сдвига закругленной доменной стенки с помощью создаваемой магнитным зондом упругой механической деформации поверхности образца, приводящей к появлению градиента диэлектрической проницаемости, причем полярность данного эффекта зависит от знака внешнего латерального магнитного поля. С помощью циркулярно-поляризованного излучения фемтосекундного лазера с плотностью энергии около 20 мДж/см2 во взаимно-перпендикулярных внешних магнитных полях продемонстрирована возможность воздействия на закругленные участки доменных границ. При этом полярность эффекта меняется при взаимодействии структуры с право- или левополяризованным излучением.
Определены параметры поляризации зондирующего излучения и сигнала второй оптической гармоники для нахождения максимального контраста доменной границы в распределении нелинейно-оптического сигнала в латеральной плоскости образца. Для точного определения локализации переходной области с нетривиальным распределением намагниченности использовалась величина нелинейного кругового дихроизма магнитоиндуцированной второй гармоники, характеризующая хиральность состояния намагниченности. Также было проанализировано изменение симметрийных свойств доменной границы по сравнению с магнитным доменом с помощью анизотропии второй оптической гармоники.
Определены значения параметров поляризации излучения накачки и сигнала второй гармоники, при которых наблюдается наиболее высокий контраст доменной стенки (интенсивность сигнала второй гармоники в соседних доменах оказывается одинаковой), позволяющий изучить ее тонкую структуру и направление поворота намагниченности. Продемонстрированно изменение симметрийных свойств доменной стенки по сравнению с магнитным доменом, обусловленное значительным вкладом компонент тензора магнитоиндуцированной составляющей сигнала и наличием латеральной компоненты намагниченности. Определена величина нелинейного кругового дихроизма, которая отлична от нуля только в области доменной границы и отличается по модулю для соседних стенок. Полученная величина дихроизма сигнала второй гармоники составляет по модулю около 15-17%.
По результатам исследований по данному направлению опубликована статья Gaponov, M.; Ovcharenko, S.; Ilyin, N.; Mishina, E. Laser-Induced Magnetization Dynamics in Si-Doped Yttrium-Iron Garnet Film. Condens. Matter 2022, 7, 55. https://doi.org/10.3390/ condmat7040055.
Изготовлены образцы магнитоэлектрических композитных структур с магнитными слоями из аморфного магнитного слава, гематита и тонкой пленки железоиттриевого граната. В качестве пьезоэлектрического слоя использованы либо монокристаллические кварц и нитрид алюминия, либо пьезокерамика цирконат-титанат свинца (PZT).
Обнаружены и исследованы низкочастотные магнитоэлектрические (МЭ) эффекты в планарной гетероструктуре, содержащей монокристаллическую пленку железоиттриевого граната (YIG) толщиной 50 мкм и пластину кристаллического кварца. Выявлены механизмы возникновения МЭ эффектов, обусловленные комбинацией магнитострикции пленки YIG и пьезоэффекта в кварце из-за механической связи слоев и проявляющиеся во взаимном преобразовании переменных магнитных и электрических полей. При возбуждении структуры переменным магнитным полем (прямой эффект) на частоте планарного акустического резонанса 128 кГц получен коэффициент МЭ преобразования полей 8.8 В/(Э∙см), а при возбуждении структуры переменным электрическим полем (обратный эффект) коэффициент МЭ преобразования составил 0.32 Гс/(В/см). Обнаружены нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты при возбуждении прямого МЭ эффекта магнитным полем на частоте, равной половине резонансной частоты структуры, и при возбуждении обратного МЭ эффекта электрическим полем на частоте резонанса структуры, обусловленные нелинейностью магнитострикции пленки YIG. Резонансные МЭ эффекты в структуре с пленкой YIG сравнимы по величине с эффектами в структурах с другими магнитными материалами, обладают высокой добротностью Q~2200 и наблюдаются в слабых магнитных полях H~0-60 Э. Результаты исследований демонстрируют перспективность использования структур с пленками YIG для создания различных устройств микросистемной техники и электроники.
Обнаружен и исследован низкочастотный МЭ эффект в композитной гетероструктуре антиферромагнетик с анизотропией типа «легкая плоскость» - пьезоэлектрик (АФМ-ПЭ). Эффект возникает вследствие комбинации магнитострикции АФМ слоя и пьезоэлектричества в ПЭ слое благодаря механической связи слоев и проявляется в генерации структурой напряжения под действием переменного магнитного поля. Изучены особенности МЭ эффекта, обусловленные магнитными и магнитострикционными свойствами слоя гематита. Продемонстрирована рекордно большая перестройка частоты МЭ резонанса структуры на 20 % при изменении постоянного магнитного поля смещения. Коэффициент МЭ преобразования на частоте резонанса достигал 10 В/(Э см). В структуре обнаружен нелинейный МЭ эффект генерации второй гармоники напряжения при увеличении амплитуды возбуждающего магнитного поля.
Впервые обнаружен МЭ эффект в композитной гетероструктуре, содержащей монокристаллическую пластину из нитрида алюминия и слой аморфного ферромагнетика Metglas. Получен МЭ коэффициент преобразования полей ~76 мВ/(Э см), который можно повысить за счет оптимизации параметров структуры.
По результатам исследований по данному направлению опубликована статья Dmitrii V Savelev et al. Magnetoelectric effects in a composite ferromagnet–piezoelectric heterostructure under pulsed excitation. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022, 55 485002 (10.1088/1361-6463/ac962d).
Обнаружены и исследованы низкочастотные магнитоэлектрические (МЭ) эффекты в планарной гетероструктуре, содержащей монокристаллическую пленку железоиттриевого граната (YIG) толщиной 50 мкм и пластину кристаллического кварца. Выявлены механизмы возникновения МЭ эффектов, обусловленные комбинацией магнитострикции пленки YIG и пьезоэффекта в кварце из-за механической связи слоев и проявляющиеся во взаимном преобразовании переменных магнитных и электрических полей. При возбуждении структуры переменным магнитным полем (прямой эффект) на частоте планарного акустического резонанса 128 кГц получен коэффициент МЭ преобразования полей 8.8 В/(Э∙см), а при возбуждении структуры переменным электрическим полем (обратный эффект) коэффициент МЭ преобразования составил 0.32 Гс/(В/см). Обнаружены нелинейные МЭ эффекты удвоения частоты при возбуждении прямого МЭ эффекта магнитным полем на частоте, равной половине резонансной частоты структуры, и при возбуждении обратного МЭ эффекта электрическим полем на частоте резонанса структуры, обусловленные нелинейностью магнитострикции пленки YIG. Резонансные МЭ эффекты в структуре с пленкой YIG сравнимы по величине с эффектами в структурах с другими магнитными материалами, обладают высокой добротностью Q~2200 и наблюдаются в слабых магнитных полях H~0-60 Э. Результаты исследований демонстрируют перспективность использования структур с пленками YIG для создания различных устройств микросистемной техники и электроники.
Обнаружен и исследован низкочастотный МЭ эффект в композитной гетероструктуре антиферромагнетик с анизотропией типа «легкая плоскость» - пьезоэлектрик (АФМ-ПЭ). Эффект возникает вследствие комбинации магнитострикции АФМ слоя и пьезоэлектричества в ПЭ слое благодаря механической связи слоев и проявляется в генерации структурой напряжения под действием переменного магнитного поля. Изучены особенности МЭ эффекта, обусловленные магнитными и магнитострикционными свойствами слоя гематита. Продемонстрирована рекордно большая перестройка частоты МЭ резонанса структуры на 20 % при изменении постоянного магнитного поля смещения. Коэффициент МЭ преобразования на частоте резонанса достигал 10 В/(Э см). В структуре обнаружен нелинейный МЭ эффект генерации второй гармоники напряжения при увеличении амплитуды возбуждающего магнитного поля.
Впервые обнаружен МЭ эффект в композитной гетероструктуре, содержащей монокристаллическую пластину из нитрида алюминия и слой аморфного ферромагнетика Metglas. Получен МЭ коэффициент преобразования полей ~76 мВ/(Э см), который можно повысить за счет оптимизации параметров структуры.
По результатам исследований по данному направлению опубликована статья Dmitrii V Savelev et al. Magnetoelectric effects in a composite ferromagnet–piezoelectric heterostructure under pulsed excitation. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022, 55 485002 (10.1088/1361-6463/ac962d).
Проведена выборка эффективных технологических методик создания двумерных пленок дихалькогенидов переходных металлов на поверхности сегнетоэлектриков. Созданы серии образцов пленок ДПМ при помощи отличающихся друг от друга методик и подходов, в том числе:
- серия квазидвумерных кристаллитов ДПМ при помощи жидкофазной эксфолиации с последующем переносом на сегнетоэлектрическую подложку;
- серия квазидвумерных кристаллитов ДПМ при помощи механической эксфолиации с последующем переносом на сегнетоэлектрическую подложку;
- серия квазидвумерных кристаллитов ДПМ при помощи методоки прямого переноса на сегнетоэлектрическую подложку используя полимер в качестве основы для механической эксфолиации.
5.2. Проведены экспериментальные исследования базовых свойств полученных образцов методиками АСМ, люминесцентной спектроскопии и рамановской микроскопии. Показано, что методика жидкофазной эксфолиации не подходит для создания двумерных и квазидвумерных кристаллов ДПМ на сегнетоэлектрической подложке, так как латеральные размеры полученных кристаллитов составляют более 10 мкм, а сигнала фотолюминесцентного отклика от наиболее тонких кристаллитов не наблюдается.
На основании проведенных исследований показано, что оптимальной методикой для изготовления двумерных ван-дер-ваальсовских полупроводников для проведения исследований на следующих этапах является методика механической эксфолиации при помощи полимера с дальнейшим механическим оттиском. Полученные при помощи данной методики образцы обладают толщиной порядка 0,86 нм и характерными латеральными размерами от 2 до 8 мкм.
- серия квазидвумерных кристаллитов ДПМ при помощи жидкофазной эксфолиации с последующем переносом на сегнетоэлектрическую подложку;
- серия квазидвумерных кристаллитов ДПМ при помощи механической эксфолиации с последующем переносом на сегнетоэлектрическую подложку;
- серия квазидвумерных кристаллитов ДПМ при помощи методоки прямого переноса на сегнетоэлектрическую подложку используя полимер в качестве основы для механической эксфолиации.
5.2. Проведены экспериментальные исследования базовых свойств полученных образцов методиками АСМ, люминесцентной спектроскопии и рамановской микроскопии. Показано, что методика жидкофазной эксфолиации не подходит для создания двумерных и квазидвумерных кристаллов ДПМ на сегнетоэлектрической подложке, так как латеральные размеры полученных кристаллитов составляют более 10 мкм, а сигнала фотолюминесцентного отклика от наиболее тонких кристаллитов не наблюдается.
На основании проведенных исследований показано, что оптимальной методикой для изготовления двумерных ван-дер-ваальсовских полупроводников для проведения исследований на следующих этапах является методика механической эксфолиации при помощи полимера с дальнейшим механическим оттиском. Полученные при помощи данной методики образцы обладают толщиной порядка 0,86 нм и характерными латеральными размерами от 2 до 8 мкм.
На основе теории функционала плотности был проведены расчеты декомпенсированного магнитного момента в двойном слое CrI3. Сопоставление рассчитанных значений с аналитическими формулами для вклада флексомагнитного эффекта в термодинамический потенциал позволяют оценить величины флексомагнитных констант. Полученные значения флексомагнитного эффекта достаточны, чтобы быть детектированым методами АСМ, в частности односпиновой магнитометрией на NV-центрах, при условии, что радиусы кривизны изогнутого двойного слоя CrI3 варьируются в диапазоне 30-1000 Ангстрем.
Проведен расчет флексомагнитного эффекта в CrI3 из первых принципов на основе теории функционала плотности. Из первых принципов рассчитаны отношения упругих констант двойного слоя CrI3 и константы флексомагнитного эффекта ~ 10 магнетонов Бора * Ангстрем.
Проведен расчет флексомагнитоэлектрического взаимодействия пленок феррита граната на основе микроскопического рассмотрения антисимметричного обмена в трехионной модели Мории. Показано, что значения величины взаимодействия Дзялошинского-Мории рассчитанные в рамках модели Мории для эпитаксиально напряженных пленок феррита граната как ~0,001 эрг/см2, достаточны для того, чтобы объяснить наблюдаемую в экспериментах зарядовую асимметрию. Показана возможность механического управления магнитными доменными границами с помощью зондов сканирующих микроскопов за счет создания градиентов механических напряжений.
Результаты исследований по данному направлению опубликованы в работах:
- A.С. Каминский, Н.В. Мясников, А.П. Пятаков, К механизму магнитоэлектрических явлений в пленках ферритов гранатов // Физика Металлов и Металловедение – 2023. – т. 124– №2 (в печати). IF: 1.37 (2021) WoS Q2, Scopus Q2
- D. Plokhov, A. Pyatakov, A. Popov, and A. K. Zvezdin, Spin-Electric Coupling, Magnetoelectricity, and Quantum Dynamics of Toroidal Moment in Lanthanide-Based Single Molecule Toroics, Single Mol. Toroics 133 (2022).
Проведен расчет флексомагнитного эффекта в CrI3 из первых принципов на основе теории функционала плотности. Из первых принципов рассчитаны отношения упругих констант двойного слоя CrI3 и константы флексомагнитного эффекта ~ 10 магнетонов Бора * Ангстрем.
Проведен расчет флексомагнитоэлектрического взаимодействия пленок феррита граната на основе микроскопического рассмотрения антисимметричного обмена в трехионной модели Мории. Показано, что значения величины взаимодействия Дзялошинского-Мории рассчитанные в рамках модели Мории для эпитаксиально напряженных пленок феррита граната как ~0,001 эрг/см2, достаточны для того, чтобы объяснить наблюдаемую в экспериментах зарядовую асимметрию. Показана возможность механического управления магнитными доменными границами с помощью зондов сканирующих микроскопов за счет создания градиентов механических напряжений.
Результаты исследований по данному направлению опубликованы в работах:
- A.С. Каминский, Н.В. Мясников, А.П. Пятаков, К механизму магнитоэлектрических явлений в пленках ферритов гранатов // Физика Металлов и Металловедение – 2023. – т. 124– №2 (в печати). IF: 1.37 (2021) WoS Q2, Scopus Q2
- D. Plokhov, A. Pyatakov, A. Popov, and A. K. Zvezdin, Spin-Electric Coupling, Magnetoelectricity, and Quantum Dynamics of Toroidal Moment in Lanthanide-Based Single Molecule Toroics, Single Mol. Toroics 133 (2022).
По имеющемуся теоретическому и практическому заделу, а также по результатам обзора литературы сформулированы основные положения, связанные с кристаллической структурой феррита висмута и возникающими в ней особенностями, которые имеют важное значение для понимания статических и динамических свойств мультиферроиков.
Проведено теоретическое исследование формализма Лагранжа для общего случая двухподрешеточной магнитной подсистемы с наличием в ней центров магнитной неоднородности и с отличным от нуля ферромагнитным вектором, на основании которого:
- получен общий вид эффективного лагранжиана и диссипативной функции Рэлея, зависящий от углов между осями декартовой системы координат и вектором антиферромагнетизма, для обменно-связанных подрешеток;
- получен лагранжиан для описания динамических свойств доменных границ в BiFeO3-подобных мультиферроиках и пленках;
- получен эффективный термодинамический потенциал феррита висмута, включающий в себя энергию магнитоэлектрического взаимодействия Дзялошинского-Мория и члена, отвечающего за появление пространственно-моделированной структуры. Объединение данных результатов позволяет описывать динамические процессы доменных стенок в BiFeO3 -подобных мультиферроиках и пленках;
- проведено численное моделирование динамики параметра порядка в магнитных пленках. Продемонстрирована применимость разработанной модели в качестве инструмента для компьютерного моделирования динамических процессов доменных стенок пленок мультиферроиков, а также для дизайна мультиферроидных аппаратных устройств искусственного интеллекта, основанных на управляемой динамике доменных стенок.
Получено экспериментальное подтверждение пригодности разработанных теоретических подходов и моделей для описания динамики магнитного параметра порядка в ферромагнитных пленках при воздействии электромагнитного импульса терагерцевого диапазона частот, в том числе:
- Экспериментально показано методом накачки-зондирования, что интенсивные ТГц импульсы могут одновременно возбуждать две моды в пленках YIG вблизи точки компенсации: ферромагнитную и антиферромагнитную.
- Показано, что температурная зависимость частот обеих мод, полученная с применением теоретического аппарата, основанного на формализме Лагранжа, полностью согласуется с экспериментальными данными.
Результаты исследований по данному направлению опубликованы в работах:
- Evgeny A. Mashkovich, Kirill A. Grishunin, Anatoly K. Zvezdin, Thomas G. H. Blank, Alexander G. Zavyalov , Paul H. M. van Loosdrecht ,1 Alexandra M. Kalashnikova , and Alexey V. Kimel . Terahertz-driven magnetization dynamics of bismuth-substituted yttrium iron-gallium garnet thin film near a compensation point. PHYSICAL REVIEW B 106, 184425 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.184425
- D. Plokhov, A. Pyatakov, A. Popov, and A. K. Zvezdin, Spin-Electric Coupling, Magnetoelectricity, and Quantum Dynamics of Toroidal Moment in Lanthanide-Based Single Molecule Toroics, Single Mol. Toroics 133 (2022).
Проведено теоретическое исследование формализма Лагранжа для общего случая двухподрешеточной магнитной подсистемы с наличием в ней центров магнитной неоднородности и с отличным от нуля ферромагнитным вектором, на основании которого:
- получен общий вид эффективного лагранжиана и диссипативной функции Рэлея, зависящий от углов между осями декартовой системы координат и вектором антиферромагнетизма, для обменно-связанных подрешеток;
- получен лагранжиан для описания динамических свойств доменных границ в BiFeO3-подобных мультиферроиках и пленках;
- получен эффективный термодинамический потенциал феррита висмута, включающий в себя энергию магнитоэлектрического взаимодействия Дзялошинского-Мория и члена, отвечающего за появление пространственно-моделированной структуры. Объединение данных результатов позволяет описывать динамические процессы доменных стенок в BiFeO3 -подобных мультиферроиках и пленках;
- проведено численное моделирование динамики параметра порядка в магнитных пленках. Продемонстрирована применимость разработанной модели в качестве инструмента для компьютерного моделирования динамических процессов доменных стенок пленок мультиферроиков, а также для дизайна мультиферроидных аппаратных устройств искусственного интеллекта, основанных на управляемой динамике доменных стенок.
Получено экспериментальное подтверждение пригодности разработанных теоретических подходов и моделей для описания динамики магнитного параметра порядка в ферромагнитных пленках при воздействии электромагнитного импульса терагерцевого диапазона частот, в том числе:
- Экспериментально показано методом накачки-зондирования, что интенсивные ТГц импульсы могут одновременно возбуждать две моды в пленках YIG вблизи точки компенсации: ферромагнитную и антиферромагнитную.
- Показано, что температурная зависимость частот обеих мод, полученная с применением теоретического аппарата, основанного на формализме Лагранжа, полностью согласуется с экспериментальными данными.
Результаты исследований по данному направлению опубликованы в работах:
- Evgeny A. Mashkovich, Kirill A. Grishunin, Anatoly K. Zvezdin, Thomas G. H. Blank, Alexander G. Zavyalov , Paul H. M. van Loosdrecht ,1 Alexandra M. Kalashnikova , and Alexey V. Kimel . Terahertz-driven magnetization dynamics of bismuth-substituted yttrium iron-gallium garnet thin film near a compensation point. PHYSICAL REVIEW B 106, 184425 (2022). DOI: 10.1103/PhysRevB.106.184425
- D. Plokhov, A. Pyatakov, A. Popov, and A. K. Zvezdin, Spin-Electric Coupling, Magnetoelectricity, and Quantum Dynamics of Toroidal Moment in Lanthanide-Based Single Molecule Toroics, Single Mol. Toroics 133 (2022).
Исследована возможность реализации преобразования электрических сигналов, имитирующего функцию нейрона, в композитной мультиферроидной структуре. Исследование проведено комбинированным численно-аналитическим методом с использованием программного пакета COMSOL Multiphysics и нелинейной теории магнитоупругого взаимодействия в области спиновой переориентации. Предложена теоретическая модель функционирования нейроподобной структуры на основе системы уравнений упругости, электро- и магнитостатики, связанных совместными деформациями элементов структуры.
На основании разработанной модели выполнены расчеты функциональных характеристик структуры, в том числе:
- продемонстрированы функциональные возможности стрейнтронной мультиферроидной структуры, которые соответствуют таким функциям нейроподобных электронных компонентов как суммирование, нелинейное преобразование и пороговое переключение;
- установлено, что полученные в расчетах величины скачков выходного напряжения при переключениях соизмеримы с напряжениями на входе структуры, что существенно для передачи сигналов в нейроподобную сеть;
- показано, что характерные величины управляющих напряжений в стрейнтронной структуре относительно невелики и составляют от единиц до долей вольта для прототипа миллиметрового масштаба; масштабирование структуры на микронный и субмикронный уровень пропорционально снижает управляющие напряжения.
Проанализированы некоторые аспекты практического применения данных структур. Наиболее существенным препятствием на пути миниатюризации стрейнтронных компонентов рассматриваемого типа представляется технология синтеза монокристаллических сегнетоэлектрических пленок требуемого состава и среза. Восстановление исходного состояния системы после переключения без дополнительных специальных воздействий представляет интерес для использования в импульсных режимах работы искусственных нейронов. Существенное влияние на характеристики структуры флуктуаций ориентации магнитного поля в пределах долей угловых минут представляет интерес для исследования в качестве механизма реализации стохастических искусственных нейронов.
На основании разработанной модели выполнены расчеты функциональных характеристик структуры, в том числе:
- продемонстрированы функциональные возможности стрейнтронной мультиферроидной структуры, которые соответствуют таким функциям нейроподобных электронных компонентов как суммирование, нелинейное преобразование и пороговое переключение;
- установлено, что полученные в расчетах величины скачков выходного напряжения при переключениях соизмеримы с напряжениями на входе структуры, что существенно для передачи сигналов в нейроподобную сеть;
- показано, что характерные величины управляющих напряжений в стрейнтронной структуре относительно невелики и составляют от единиц до долей вольта для прототипа миллиметрового масштаба; масштабирование структуры на микронный и субмикронный уровень пропорционально снижает управляющие напряжения.
Проанализированы некоторые аспекты практического применения данных структур. Наиболее существенным препятствием на пути миниатюризации стрейнтронных компонентов рассматриваемого типа представляется технология синтеза монокристаллических сегнетоэлектрических пленок требуемого состава и среза. Восстановление исходного состояния системы после переключения без дополнительных специальных воздействий представляет интерес для использования в импульсных режимах работы искусственных нейронов. Существенное влияние на характеристики структуры флуктуаций ориентации магнитного поля в пределах долей угловых минут представляет интерес для исследования в качестве механизма реализации стохастических искусственных нейронов.
Проведены теоретические исследования прямого и обратного магнитоэлектрического эффекта при импульсном возбуждении композитной мультиферроидной гетероструктуры Metglas/PZT/Metglas при возбуждении импульсами магнитного и электрического полей прямоугольной формы. Показано, что при возбуждении структуры магнитными импульсами, PZT слой генерирует затухающие колебания напряжения с частотой, равной частоте акустического резонанса структуры, и медленно спадающее постоянное напряжение. За счет выбора длительности импульсов можно селективно возбуждать линейный или нелинейный (генерация второй гармоники) магнитоэлектрические эффекты.
Показано, что импульсы электрического поля приводят к возбуждению затухающих колебаний намагниченности ферромагнитного слоя с частотой, также равной частоте акустических колебаний структуры. Фурье-анализ возбуждающих импульсов и генерируемых структурой импульсов позволяет рассчитать магнитоэлектрические коэффициенты для прямого и обратного магнитоэлектрических эффектов.
Установленные особенности импульсного отклика композитных гетероструктур необходимо учитывать при разработке магнитоэлектрических датчиков магнитных полей и электрически управляемых элементов записи и обработки информации.
Результаты исследований по данному направлению опубликованы в работе Dmitrii V Savelev et al. Magnetoelectric effects in a composite ferromagnet–piezoelectric heterostructure under pulsed excitation. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022, 55 485002 (10.1088/1361-6463/ac962d).
Показано, что импульсы электрического поля приводят к возбуждению затухающих колебаний намагниченности ферромагнитного слоя с частотой, также равной частоте акустических колебаний структуры. Фурье-анализ возбуждающих импульсов и генерируемых структурой импульсов позволяет рассчитать магнитоэлектрические коэффициенты для прямого и обратного магнитоэлектрических эффектов.
Установленные особенности импульсного отклика композитных гетероструктур необходимо учитывать при разработке магнитоэлектрических датчиков магнитных полей и электрически управляемых элементов записи и обработки информации.
Результаты исследований по данному направлению опубликованы в работе Dmitrii V Savelev et al. Magnetoelectric effects in a composite ferromagnet–piezoelectric heterostructure under pulsed excitation. // J. Phys. D: Appl. Phys. 2022, 55 485002 (10.1088/1361-6463/ac962d).
Продемонстрирована возможность создания оптической нейронной сети типа персептрона, на основе тонких пленок CoPt, для которых реализуем контроль намагниченности с помощью циркулярно-поляризованного излучения накачки. В ходе комбинации экспериментальных подходов оптической накачки-зондирования и поляризационной микроскопии продемонстрировано изменение оптомагнитных синапсов в зависимости от длительности облучения лазерными импульсами. Экспериментально продемонстрировано как обучение, так и распознавание образов с помощью оптомагнитной нейронной сети.
Проведена оценка потенциала искусственных нейронных сетей, работающих на принципе AIMC, для использования в физике конденсированных сред и физике элементарных частиц в сравнении с обычными аппаратными реализациями искусственных нейронных сетей. Представлена методология оценки затрат энергии и времени вычислений на центральном и графическом процессорах для задач логического вывода на основе искусственных нейронных сетей. Разработана архитектура искусственных нейронных сетей для оценки этих показателей в задачах логического вывода на платформе аналоговых вычислений в памяти смешанной точности (MP-AIMC). Для MP-AIMC обнаружено значительное повышение энергоэффективности до 103. В результате проведенных тестов обнаружен большой потенциал нейроморфных ускорителей на основе MP-AIMC.
Проведена оценка потенциала искусственных нейронных сетей, работающих на принципе AIMC, для использования в физике конденсированных сред и физике элементарных частиц в сравнении с обычными аппаратными реализациями искусственных нейронных сетей. Представлена методология оценки затрат энергии и времени вычислений на центральном и графическом процессорах для задач логического вывода на основе искусственных нейронных сетей. Разработана архитектура искусственных нейронных сетей для оценки этих показателей в задачах логического вывода на платформе аналоговых вычислений в памяти смешанной точности (MP-AIMC). Для MP-AIMC обнаружено значительное повышение энергоэффективности до 103. В результате проведенных тестов обнаружен большой потенциал нейроморфных ускорителей на основе MP-AIMC.
Публикации научной группы:
Terahertz-driven magnetization dynamics of bismuth-substituted yttrium iron-gallium garnet thin film near a compensation point
Методом терагерцовой накачки–оптической зондовой спектроскопии исследована динамика намагниченности пленки иттрий-галлиевого граната (Y3–zBiz)[Fe2–xGax] [Fe3–yGay]O12, замещенного висмутом. Наблюдаются две магнитные моды, частоты которых пересекаются в точке компенсации намагниченности. Проанализированы экспериментальные зависимости возбуждаемых мод от поляризации терагерцового импульса, внешнего магнитного поля и температуры. Предложено теоретическое описание, основанное на симметрии и лагранжевом формализме. Пересечение магнитных мод объясняется взаимодействием обменной и анизотропной энергий, дающих одинаковый вклад вблизи точки компенсации. Моделирование, основанное на уравнениях Ландау-Лифшица-Гильберта, показывает, что разница в магнитооптических восприимчивостях тетраэдрической и октаэдрической подрешеток железа может существенно повысить чувствительность к магнитным модам.
Magnetoelectric effects in a composite ferromagnet–piezoelectric heterostructure under pulsed excitation
Магнитоэлектрические (МЭ) эффекты в композитных гетероструктурах мультиферроик ферромагнетик–пьезоэлектрик (ПЭ) приводят к изменению электрической поляризации под действием магнитного поля или изменению намагниченности под действием электрического поля и поэтому представляют интерес с научной точки зрения. зрения и для приложений. В настоящей работе экспериментально исследованы прямой и обратный МЭ эффекты при возбуждении плоской аморфной структуры ферромагнетик–ПЭ цирконат–титанат свинца импульсами магнитного и электрического полей длительностью от микросекунд до десятков миллисекунд. Под действием импульсов магнитного поля в конструкции возникают затухающие колебания напряжения с частотой, равной частоте акустического резонанса конструкции, а также экспоненциально спадающее постоянное напряжение. Выбирая длительность магнитных импульсов, можно избирательно возбуждать линейный МЭ эффект в структуре или генерировать вторую гармонику напряжения на резонансной частоте. Импульсы электрического поля приводят к возбуждению затухающих колебаний намагниченности на резонансной частоте гетероструктуры. Импульсный метод возбуждения позволяет оценить коэффициенты преобразования МЭ как для прямого, так и для обратного МЭ воздействия.
Laser-Induced Magnetization Dynamics in Si-Doped Yttrium-Iron Garnet Film
Экспериментально показано, что возбуждение пленки иттрий-железного граната, легированного кремнием, фемтосекундными лазерными импульсами вызывает прецессию намагниченности с амплитудой, определяемой направлением внешней намагниченности. Максимальная эффективность достигается на длине волны накачки, соответствующей максимуму поглощения за счет легирования ионами кремния. На основе азимутальных зависимостей амплитуды и частоты прецессии показано, что динамика намагниченности индуцируется термическим нарушением магнитокристаллической анизотропии. Путем моделирования петель гистерезиса установлено, что легирование кремнием приводит к уменьшению величины обменного взаимодействия в пленке и увеличению поля анизотропии.
Наш научный коллектив
- Сигов Александр СергеевичЗаведующий лабораторией, доктор физико-математических наук
- Тео РасингВедущий ученый, PhD, профессор
- Пятаков Александр ПавловичВедущий ученый, доктор физико-математических наук
- Мишина Елена ДмитриевнаВедущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук
- Звездин Анатолий КонстантиновичГлавный научный сотрудник, доктор физико-математических наук
- Фетисов Юрий КонстантиновичВедущий научный сотрудник, доктор физико-математических наук
- Арсений БуряковОтветственный исполнитель, старший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
- Сергей ЛавровСтарший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
- Звездин Константин АнатольевичСтарший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
- Преображенский Владимир ЛеонидовичГлавный научный сотрудник, доктор физико-математических наук, профессор
- Леонид ФетисовСтарший научный сотрудник, доктор физико-математических наук
- Николай МитетелоМладший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
- Климов Алексей АнатольевичСтарший научный сотрудник, кандидат физико-математических наук
- Андрей ГуськовСтажер-исследователь, аспирант
- Михаил СтепановЛаборант, студент-магистр
- Евгений ЖемеровЛаборант-исследователь, студент-магистр
- Анастасия ГорбатоваСтажер-исследователь, аспирант
- Мария ЛаптеваСтажер-исследователь, студент-магистр
- Никита БезвиконныйСтажер-исследователь, аспирант
- Гапонов МихаилСтажер-исследователь
- Федулов ФедорМладший научный сотрудник, кандидат технических наук
- Савельев ДмитрийСтажер-исследователь
- Авдеев ПавелСтажер-исследователь, студент-магистр
- Брехов КириллНаучный сотрудник, кандидат физико-математических наук
- Лебедева ЕкатеринаСтажер-исследователь, студент-магистр
- Булавинцева ЕлизаветаСтудент-бакалавр, лаборант
- Каминский АлексейАспирант
- Крутянский Леонид МихайловичКандидат технических наук, научный сотрудник
Контакты
Адрес: 119454, ЦФО, г. Москва, Проспект Вернадского, д. 78, ауд. В-203
Телефон: +7 (499) 600-80-80 доб. 23004
Телефон: +7 (499) 600-80-80 доб. 23004
