ИСТИНА

Объектом соглашения являлось проведение компьютерного моделирования атомной структуры и квантовых свойств одномерных и двумерных наноструктур Цель работы –поиск новых стабильных магнитных одномерных и двумерных наноструктур, формирующихся на поверхностях с различной геометрией и химическим составом, а также обнаружение новых методов управления их свойствами. В рамках проекта планировалось изучить процессы самоорганизации наноструктур на поверхностях подложек, исследовать зависимость геометрии нанокластеров и нанопроводов от строения подложки, зависимость квантовых (магнитных, проводящих) свойств наноструктур от их геометрии и компонентного состава. Практическая ценность состоит в том, что результаты исследований, выполненных в данном проекте, могут быть использованы при анализе экспериментальных результатов, а также при создании новых материалов и устройств. Метод исследования - для решения поставленных задач были использованы различные методы расчёта зонной структуры на основе теории функционала электронной плотности, первопринципная и полу-эмпирическая молекулярная динамика, метод Монте-Карло для моделирования эволюции системы во времени. В настоящем проекте проведено комплексное систематическое исследование процессов самоорганизации, свойств атомной, электронной и магнитной структуры нанопроводов и наноконтактов на поверхностях различных подложек, а также проводящих свойств металлических нанопроводов на поверхности с использованием наиболее современных первопринципных и полуэмпирических методов. Достижению этой цели должно способствовать привлечение современных суперкомпьютеров. Для проведения полномасштабного исследования проводится многоуровневый анализ атомной структуры и квантовых свойств одно- и двумерных наностурктур. Создание многоуровневого метода исследования процессов формирования, а также квантовых и магнитных свойств, одно- и двумерных структур на поверхности подложек различной природы (металл, полупроводник, диэлектрик), позволило провести реалистичное моделирование квантовых и атомных свойств низкоразмерных наноструктур, а в дальнейшем позволит моделировать простейшие наноустройства, что значительно упростит процесс создания и разработки принципиально новых наносхем в наноэлектроники и спинтронике. Основные показатели: все выбранные методы обладают быстрой сходимостью, хорошей точностью расчета энергии и сил, действующих на атом, что крайне важно при изучении процессов релаксации и реконструкции сложных атомных структур металлических соединений. Степень внедрения, рекомендации по внедрению – в результате работы над проектом участниками проекта были разработаны и прочитаны два специальных учебных курса («Численные методы в физике наноструктур», «Введение в теорию конденсированного состояния вещества»), направленных на ознакомление студентов старших курсов и аспирантов физического факультета МГУ имени М.В.Ломоносова с новыми методиками многоуровневого исследования низкоразмерных систем, с введением основных понятий физики конденсированного состояния, необходимых для проведения полноценного исследования квантовых и атомных свойств наноструктур и внедрением методик исследования, разработанных нашей группой, в образовательный процесс. Полученные за время работы над проектом результаты в настоящий момент используются в совместном экспериментальном исследовании магнитных свойств смешанных структур, проводимом совместно с нашими иностранными коллегами с целью получения в эксперименте одномерных биметаллических наноструктур с управляемыми спиновыми свойствами, стабильны при комнатных температурах для создания систем записи и хранения информации. Область применения. Полученные за время работы над проектом данные могут быть использованы в будущем для создания устройств спинтроники с управляемыми магнитными и проводящими свойствами при разработке устройств передачи и хранения информации на базе биметаллических одномерных и двумерных наносплавов стабильных при комнатных температурах с высокой производительностью, высокой скоростью передачи сигнала и низким потреблением энергии. Исследования квантовых магнитных свойств металлических нанопроводов на различных по своей структуре и природе подложках имеют принципиально важное значение как с фундаментальной, так и прикладной точек зрения, поскольку они позволят определить пути создания новых материалов для спинтроники и наноэлектроники на основе металлических нанопроводов с управляемой электронной и магнитной структурой. Причем управляя током через подложку возможно управление спинами атомов в магнитных нанопроводах. Управление спином атомов нанопроводов в свою очередь делает возможными передачу и запись информации за малые времена (порядка нескольких фемтосекунд), при этом позволяет уменьшить характерные размеры устройств спинтроники до нескольких нанометров. Эффективность многоуровневого подхода доказана совпадением результатов нашего исследования с результатами экспериментальных работ. Наши результаты по исследованию свойств магнитной анизотропии смешанных биметаллических нанопроводов из атомов золота и кобальта по определению направления оси легкого намагничивания в проводе совпадают с результатами экспериментальной работы Ш.Эгле (S. Egle, et al., Phys. Rev. B 81, 134402 (2010)) по изучению квантового магнитного транспорта через биметаллические наноконтакт из атомов золота и кобальта. Работы Списака и Хафнера (D. Spisak and J. Hafner, Phys. Rev. B 67, 214416 (2003)) 2003 года и Блонски (P.Błoński, et al., Phys. Rev. B 81, 104426 (2010)) 2010 года доказали высокую достоверность метода расчета, реализованного в программном коде VASP.

Результаты исследований опубликованы или приняты к печати в ряде ведущих международных (EPJ B, 85, 331 (2012); Appl. Phys. Lett. 101 043108 (2012); Surface Science (2012) (принята в печать); Europhysics Letters, 103, 48002 (2013); The European Physical Journal B, 86, 399 (2013)) и российских (ЖЭТФ, 141, 6, 1137 (2012); Физика твердого тела, том 55, вып. 9 с. 1834-1838 (2013); Физика твердого тела, том 55, вып. 7 с. 1403-1407 (2013); Вестник МГУ 1 (2013); Известия РАН. Серия физическая, 77, 12 (2013)) журналов, а также докладывались на международных и национальных конференциях. Результаты исследования кинетики процессов образования и роста нанопроводов, состоящих из одного или нескольких элементов на поверхностях различной природы позволят выделить пути создания устойчивых к внешним воздействиям систем нанопроводов, которые могут быть использованы в качестве магнитных доменов, выстроенных на немагнитных металлических, кремниевых или других полупроводниковых подложках для хранения информации. Создание многоуровневого комплексного метода исследования процессов формирования и стабилизации, а также квантовых и магнитных свойств, одно- и двумерных структур, формирующихся на поверхности подложек различной природы (металл, полупроводник, диэлектрик), позволит проводить реалистичное моделирование квантовых и атомных свойств низкоразмерных наноструктур, а в дальнейшем и простейших наноустройств. Установление зависимости магнитных свойств от компонентного состава и атомной структуры системы «провод-подложка» позволит определить новые способы управления спином атомов данных систем с целью дальнейшего применения их при создании устройств спинтроники. Хотя интерес исследователей к спиновой электронике возник еще в 1988 году в связи с открытием Бэйбичем (M. N. Baibich ) эффекта гигантского магнитосопротивления в многослойных (количество слоев менялось от 3 до 50) магнитных наноструктурах Fe-Cr, суммарная толщина которых составляла около 100 нм, сегодня основное внимание уделяется поиску возможностей уменьшения характерных размеров используемых устройств. Особо следует отметить экспериментальную работу Ш.Эгле и др. [Phys. Rev. B 81, 134402 (2010)], в которой впервые экспериментально было обнаружено возникновение гигантского магнетосопротивления в смешанных одномерных наноконтактах Au-Co. Наше исследование анизотропии магнитных свойств одномерных Au-Co проводов позволило объяснить причину возникновения анизотропии в одномерных системах [Appl. Phys. Lett. 101 043108 (2012)], в том числе результаты экспериментальной работы Ш.Эгле. Результаты по изучению процессов формирования на подложке стабильных магнитных нанокластеров и нанопроводов и изучение анизотропии их магнитных и проводящих свойств являются наиболее важным итогом второго этапа проекта, так как помогут определить пути создания в будущем устойчивых к внешним воздействиям устройств записи, передачи и хранения информации. Дальнейшая разработка многоуровневого комплексного метода исследования процессов формирования и стабилизации, а также квантовых и магнитных свойств, одно- и двумерных структур, формирующихся на поверхности подложек различной природы, позволит проводить реалистичное моделирование квантовых и атомных свойств низкоразмерных наноструктур, а в дальнейшем и простейших наноустройств. Уже сегодня использование, созданного нашей группой кинетического магнитного метода Монте-Карло по моделированию процессов движения спиновых магнитных моментов атомов нанокластеров и нанопроводов на подложке позволяет изучать процессы движения доменных стенок в одномерных и двумерных структурах, а также исследовать возможность образования в них спиновых волн. В дальнейшем данный метод позволит моделировать простейшие спинтронные устройства, с заранее определенным магнитными спиновыми свойствами. Особая значимость проводимого нашей группой исследования связана с возросшим вниманием ведущих лабораторий всего мира к поиску новых физических принципов, на основе которых будут построены быстродействующие спинтронные устройства с низкими энергопотреблением и тепловыделением, основанные на перевороте спина, который практически не требует затрат энергии. Эксперименты показали, что переворот спина осуществляется за несколько пикосекунд (триллионных долей секунды). Главное отличие таких модулей - записанная информация не пропадает при отключении питания, так как электроны способны сохранять положение спина сколь угодно долго. Более того, проведенное на втором этапе исследование квантового электронного транспорта через смешанные магнитные Pt-Fe нанопровода обнаружило новые способы управления током через нанопровод и показало, что такие смешанные биметаллические нанопровода могут быть использованы для создания систем со свойствами спиновых фильтров, что является наиболее важным результатом для создания устройств спинтроники. Исследование выявило взаимосвязь между состоянием намагниченности нанопровода и спиновой поляризацией тока через него, от состояния спинового фильтра с полной поляризацией тока до состояния с полностью неполяризованным электронным транспортом через нанопровод. Понимание процессов формирования кластеров на поверхности откроет новую главу в создании и разработке новых наносхем и устройств спинтроники, способно значительно упростить и удешевить технологическую схему процесса формирования наносхем и позволит значительно повысить плотность хранения информации. Контроль положения и смещения доменной стенки в нанокластерах и нанопроводах сегодня также является одной из основных задач спинтроники и наноэлектроники. Так в Linkoln Laboratory (MIT) сформировали сверхпроводящие фотосенситивные массивы нанопроводов, формирующие двумерную систему, которые могут быть использованы для создания сверхчувствительных датчиков, экранов и фотосенситивных сенсоров. Массив нанопроводов формируется методом нанолитографии, толщина отдельных проводов составляет величину всего 5 нм.