Сегодня происходит стремительное развитие технологий искусственного интеллекта (ИИ), открывающее новую эру обработки информации. Реализация ИИ основана на нейронных сетях, которые имеют качественно новую архитектуру вычислений, аналогичную биологическому мозгу (нейроморфную). Машинное обучение нейронных сетей требует обработки колоссальных объёмов данных и беспрецедентной производительности вычислительных блоков, реализованных на сегодняшний день на основе традиционной цифровой электроники, что приводит к огромному потреблению энергии. Логичным способом повышения эффективности нейронных сетей была бы аппаратная реализация нейроморфных схем с физическими нейронами и синапсами. В качестве вычислительной среды перспективно использовать магноны, преимущества которых включают: а) большой набор управляемых параметров благодаря волновой природе, б) перенос спина, а не заряда, что критически сокращает тепловые потери, и в) высокие частоты, лежащие в ГГц-ТГц областях. Эффективное управление параметрами магнонов возможно при помощи акустических фононов благодаря магнитоупругой связи, что требует существенно меньше энергии, чем задействование внешних магнитных или электрических полей, и может иметь нелинейный характер, необходимый для практической реализации нейронов. В исследованиях последних пяти лет уже были продемонстрированы прототипы магнитоакустических структур для нейроморфных вычислений.
Для применения магнитоакустики в нейроморфных вычислениях необходимо решить ряд фундаментальных задач по эффективной генерации магнонов и фононов, управлению ими в нелинейном режиме и их взаимодействию при нелинейных процессах в перспективных функциональных материалах. Высокий интерес вызывает применение фемтосекундных лазеров для генерации широкополосных волновых пакетов магнонов и акустических фононов с ГГц-ТГц частотами. Это ставит фундаментальную задачу по выявлению свойств магнитоупругого взаимодействия на таких частотах и в нелинейном режиме. Нелинейностей можно достичь, повышая амплитуды генерируемых акустических или спиновых волн, либо используя материалы с нелинейными процессами, поэтому изучение последних также представляет собой актуальную задачу. Примером такого перспективного материала является сплав FeRh с составом вблизи эквиатомного, который при нагреве до 360К, немного выше комнатной температуры, совершает фазовый переход 1-го рода антиферромагнетик-ферромагнетик и увеличивается в размерах на 1%. При действии короткого лазерного импульса FeRh трансформируется на пикосекундном временном масштабе, отвечающем ГГц частотам. Этот материал недавно был использован в прототипах устройств магнитной памяти и антиферромагнитной спинтроники. Это позволяет применять его в интегральных схемах «на чипе».
При выполнении предлагаемого проекта будут изучены способы управления параметрами оптически-генерируемых гигагерцовых фононов в форме коротких импульсов поверхностных акустических волн (ПАВ) в плёнках FeRh. ПАВ – наиболее перспективный и активно изучаемый способ магнитоакустического управления магнонами в планарных структурах, поэтому актуальны новые методы управления параметрами генерируемых ПАВ. Фазовый переход можно использовать для нетермической генерации высокой деформации на пикосекундном масштабе времени, что было показано пока только для объёмных продольных акустических волн. В приложении такого метода к генерации ПАВ заключается научная новизна предлагаемого проекта. Также в рамках проекта планируется реализовать управление генерируемыми ПАВ при помощи магнитного поля, что принесёт новую фундаментальную информацию о магнитоупругой связи при нелинейном процессе – лазерно-индуцированном фазовом переходе. Хотя проект направлен на изучение генерации и управление характеристиками ПАВ, в FeRh, как в магнитном материале, существуют спиновые волны в ферро- и в антиферромагнитной фазах, и проявлению их взаимодействия с ПАВ также будет уделено внимание.
