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.
