Мы используем cookie файлы.
Пользуясь сайтом, вы соглашаетесь с нашей Политикой конфиденциальности.

Номер договора
11.G34.31.0030
Период реализации проекта
2010-2014

По данным на 01.11.2022

19
Количество специалистов
207
научных публикаций
57
Объектов интеллектуальной собственности
Общая информация

Ученые лаборатории изучают структуры (метаматериалы), с помощью которых возможно  управление свойствами электромагнитных волн, прежде всего светом. Подобные структуры открывают новые возможности в оптике. Метаматериалы в перспективе позволят создать оригинальные оптические преобразователи — оптические компьютеры, работающие на сверхвысоких частотах.

Название проекта: Метаматериалы на основе фотонных, фононных, плазмонных и магнонных кристаллов и их применение в СВЧ-радиоэлектронике и фотонике

Цели и задачи

Направления исследований: Частотные зависимости коэффициентов отражения и прохождения СВЧ-излучения, поверхностные и объемные акустические волны в одномерных и двумерных фононных и фонон-магнонных кристаллах, разработка технологий создания 1D и 2D фононных кристаллов и СВЧ-акустоэлектронных устройств на их основе, взаимодействие электромагнитного излучения терагерцового диапазона с электронно-дырочной плазмой в полупроводниковых и металлических наноструктурах сложной формы, магнонные кристаллы, ферромагнитные слоистые структуры на металлических и полупроводниковых подложках

Цель проекта: Теоретическое и экспериментальное исследование волновых процессов, происходящих в метаматериалах, исследование способов создания метаматериалов и разработка устройств на их основе для их применения в радиоэлектронике и фотонике

Практическое значение исследования

Научные результаты:

  1. Впервые разработаны топологии магнонных сетей, представляющие собой систему планарных связанных магнитных микро- и наноразмерных структур, которые играют ключевую роль при создании функциональных устройств нового поколения для информационно-телекоммуникационных систем микроволнового диапазона на принципах магноники и спинтроники.
  2. Показано, что использование многослойных антиферромагнитных (АФМ) структур позволяет реализовать режимы генерации, кодирования, распространения и обработки информационного сигнала на основе квантов спиновых волн — АФМ магнонов.
  3. Показано, что развитие радиоэлектронной базы и разработка инфотелекоммуникационых модулей на основе подходов магнонной стрейнтроники на основе магнитных и магнитоэлектрических материалов позволяет радикально снизить энергопотребление при проведении операций обработки сигналов. Данный подход использует методы деформационной инженерии и физические эффекты, наведённые механическими деформациями в твёрдых телах для реализации нового поколения устройств информационных, сенсорных и энергосберегающих технологий и сверхвысокочастотной техники.
  4. Развиты методы передачи информационных сигналов на основе межсоединений на принципах квантовой и резонансной опто-магноники. Показано, что увеличение эффективности возбуждения кванта спиновой подсистемы электромагнитным фотоном позволяет осуществлять интеграцию научных направлений магноники и фотоники для создания прототипов управляемых модулей межсоединения в архитектурах магнонных систем на основе наноструктурированных магнитных пленок.
  5. Предложены и разработаны элементы функциональной базы информационно-телекоммуникационных систем на основе принципов трехмерной магноники. Данный подход использует методы формирования трехмерных межслойных и межэлементных связей в распределенных системах для реализации перспективных устройств с высокой плотностью функциональных элементов и энергетически эффективных вычислений.
  6. Показано, что на основе концепции спин-волновых вычислений можно реализовать функциональные блоки вычислительных радиоэлектронных устройств для реализации алгоритмов нейроморфных вычислений и магнонной логики. Упомянутые устройства содержат слои ферро- и антиферромагнетиков для реализации на их основе активных и пассивных устройств обработки сигналов на принципах нейроморфной магнонной стрейнтроники, таких как: магнонные логические ячейки на основе элементов нечеткой логики, нейроморфные системы мультиплексирования и демультиплексирования, пространственно-частотные делители и ответвители информационных сигналов в СВЧ и терагерцевом диапазоне длин волн.
  7. На основе исследования характеристик движения магнитных вихрей в сверхтонких пленках показана возможность создания устройств для хранения и передачи информации на основе racetrack скирмионных технологий, более эффективных, чем современные жесткие диски.

Внедрение результатов исследования:

  • Аналитические методы решения дифференциальных уравнений и систем уравнений, методы теории волновых уравнений и метод теории возмущений используются для проведения расчетов параметров распространения и эффективности управления характеристиками спин-волновых возбуждений с учетом кристаллографической, магнитостатической и упругой энергий в градиентных магнитных микроструктурах.
  • Проводятся исследования частотного диапазона возбуждения, фазовых и амплитудных характеристик и их зависимостей от упругих деформаций исследуемых структур. Такой подход позволяет построить модели, а также теоретически описывать процессы в нанометровых структурах при изменении геометрических параметров структур, градиентов внутренних магнитных полей и исследовать возможные методы управления динамикой спин-волновых возбуждений.
  • В рамках решения статических задач о распределении внутренних статических магнитных полей (и их градиентов) в упругодеформируемых магнитных микроструктурах заданной топологии используется метод конечных элементов (МКЭ). Этот метод находит широкое применение при решении задач численного моделирования статических и динамических свойств магнитных структур и пьезоэлектриков.
  • Решения динамических задач о возбуждении, распространении, взаимодействии и управлении характеристиками спиновых волн в упругодеформируемых градиентных магнитных микроструктурах проводится микромагнитным моделированием на основе метода конечных разностей во временной области для уравнения Ландау-Лифшица с эффективным магнитным полем, учитывающим упругую и магнитоупругую энергию, и уравнение движения упругой среды.
  • Метод лазерного скрайбирования используется для текстурирования изначально однородных магнитных пленок с целью формирования заданных градиентов внутренних статических магнитных полей. Для создания градиентных микроструктур с микронными и субмикронными топологическими нормами используются магнитные пленки с характерными толщинами пленки 0.1-10 мкм.
  • Для создания упруго-деформируемых градиентных микроструктур используются структуры типа магнитная пленка-пьезоэлектрик с различными постоянными магнитного и упругого взаимодействия. Для реализации указанных структур используется метод магнетронного напыления пъезоэлектрических слоев на поверхность магнитных слоев через интерфейсные слои.
  • Радиофизические методы исследования характеристик спиновых волн в структурах в микроволновом диапазоне направлены на изучение влияния магнитоупругих эффектов на спектр и амплитудно-фазовые характеристики когерентных спиновых волн в градиентных магнитных микроструктурах.
  • Оптические методы исследования динамики спин-волновых возбуждений в упруго-деформируемых магнитных микроструктурах основываются на эффекте мандельштам-бриллюэновского рассеивания света (МБРС, Brillouin Light Scattering, BLS). С помощью МБРС проводятся экспериментальные исследования пространственной и временной динамики спин-волновых возбуждений в исследуемых структурах в микроволновом диапазоне радиоволн в зависимости от топологии, градиентов и упругих деформаций.
  • Метод магнетронного распыления используется для формирования тонких (толщина менее 200 нм) металлических слоев на пьезокерамике и плёнках ЖИГ для подвода электрической разности потенциалов и пайки. Реактивное и ВЧ-магнетронное распыление используется для формирования изолирующих слоёв на плёнках ЖИГ.

Образование и переподготовка кадров:

  • Издано учебное пособие «СВЧ-фотонные кристаллы – новая разновидность периодических структур в радиоэлектронике» (Авторы: Д. А. Усанов, С. А. Никитов, А. В. Скрипаль, Д. В. Пономарев).
  • Подготовлены и защищены 1 докторская и 1 кандидатская диссертации.
  • В 2014 году проведена первая научная конференция по бриллюэновской спектроскопии, ставшая впоследствии регулярным международным мероприятием.

Организационные и инфраструктурные преобразования:

  • Создана научно-исследовательская группа по направлению «Магнонные кристаллы», а также уникальный комплекс бриллюэновской спектроскопии (Brillouin Light Scattering, BLS), основанный на эффекте мандельштам-бриллюэновского рассеяния света на спиновых волнах. С помощью комплекса BLS будет проводиться экспериментальное исследование пространственной динамики спиновых волн в исследуемых структурах в микроволновом и терагерцовом диапазоне.
  • Оборудована чистая комната класса ISO 6 и система вакуумного магнетронного напыления VSM-100 ADVAVAC Surface Technologies с комплектом мишеней различных металлов, включая платиновую мишень, и система плазменной обработки (очистки) ATTO II Diener Electronic GmbH. Оборудование будет использоваться для изготовления планарных массивов ферромагнитных структур с микронными и субмикронными топологическими нормами.

Другие результаты:

Три сотрудника лаборатории получили Премию Правительства Москвы в области науки и техники (по радиоэлектронике) для молодых ученых.

Разработка «Компьютерное моделирование магнитной динамики в приборах и устройствах спинтроники и терагерцевой спин-волновой электроники».

Сотрудничество:

Международная ассоциированная лаборатория нелинейной магнитоакустики конденсированных сред (Франция), Институт Макса Планка коллоидов и границ раздела фаз (Германия), Национальная физическая лаборатория Великобритании, Университет Лидса, Университет Глазго, Department of Physics, Clarendon Laboratory, Оксфордский университет (Великобритания), Swiss Light Source, Институт Пауля Шеррера (Швейцария), Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук, Национальный исследовательский университет «МЭИ», Нижегородский государственный университет им. Н.И. Лобачевского, Институт физики микроструктур Российской академии наук (Россия), Научно-практический центр Национальной академии наук Беларуси по материаловедению (Республика Беларусь).

Скрыть Показать полностью
Zeissler K. et al.
Diameter-independent skyrmion Hall angle in the plastic flow regime observed in chiral magnetic multilayers //arXiv preprint arXiv:1908.04239. – 2019.
Ognev, A. V., Kolesnikov, A. G., Kim, Y. J., Cha, I. H., Sadovnikov, A. V., Nikitov, S. A., ... & Samardak, A. S.
(2020). Magnetic direct-write skyrmion nanolithography. ACS nano, 14(11), 14960-14970.
Chernov A. I. et al.
All-dielectric nanophotonics enables tunable excitation of the exchange spin waves //Nano letters. – 2020. – Т. 20. – №. 7. – С. 5259-5266.
Finizio S. et al.
Dynamic imaging of the delay-and tilt-free motion of Néel domain walls in perpendicularly magnetized superlattices //Nano Letters. – 2018. – Т. 19. – №. 1. – С. 375-380.
Samardak A. S. et al.
Enhancement of perpendicular magnetic anisotropy and Dzyaloshinskii–Moriya interaction in thin ferromagnetic films by atomic-scale modulation of interfaces //NPG Asia Materials. – 2020. – Т. 12. – №. 1. – С. 1-11.
Sadovnikov A. V. et al.
Magnon straintronics: Reconfigurable spin-wave routing in strain-controlled bilateral magnetic stripes //Physical review letters. – 2018. – Т. 120. – №. 25. – С. 257203.
Gusev N. S. et al.
Manipulation of the Dzyaloshinskii–Moriya interaction in Co/Pt multilayers with strain //Physical review letters. – 2020. – Т. 124. – №. 15. – С. 157202.
Sadovnikov A. V. et al.
Spin-wave drop filter based on asymmetric side-coupled magnonic crystals //Physical Review Applied. – 2018. – Т. 9. – №. 5. – С. 051002.
Sadovnikov A. V. et al.
Voltage-controlled spin-wave coupling in adjacent ferromagnetic-ferroelectric heterostructures //Physical Review Applied. – 2017. – Т. 7. – №. 1. – С. 014013.
Gubbiotti, G., Sadovnikov, A., Beginin, E., Nikitov, S., Wan, D., Gupta, A., ... & Ciubotaru, F.
(2021). Magnonic Band Structure in Vertical Meander-Shaped Co 40 Fe 40 B 20 Thin Films. Physical Review Applied, 15(1), 014061.
Фотоальбомы
Понедельник , 02.12.2019
Другие лаборатории и ученые
Лаборатория, принимающая организация
Область наук
Город
Приглашенный ученый
Период реализации проекта
Лаборатория физики для нейроморфных вычислительных систем

МИРЭА - Российский технологический университет - (РТУ МИРЭА)

Электротехника, электронная техника, информационные технологии

Москва

Расинг Теодорус-Хенрикус-Мария

Нидерланды

2022-2024

Лаборатория беспроводных технологий

Национальный исследовательский университет ИТМО - (ИТМО)

Электротехника, электронная техника, информационные технологии

Санкт-Петербург

Баена Доэлло Хуан Доминго

Испания

2022-2024

Лаборатория контролируемых оптических наноструктур

Московский физико-технический институт (НИУ) - (МФТИ)

Электротехника, электронная техника, информационные технологии

Долгопрудный

Мирошниченко Андрей Евгеньевич

Австралия, Россия

2022-2024