Влияние топологии связанных антиферромагнитных осцилляторов на их взаимную синхронизацию

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель настоящего исследования — математическое описание ансамбля связанных общим дипольным полем осцилляторов, моделирование и изучение синхронизации трёх рассматриваемых топологий: кольцо, решётка и цепочка, с последующим выявлением приоритетной топологии, которая обеспечивала бы синхронизацию в большем диапазоне начальных условий. Методы. Для упрощения численного моделирования и изучения синхронизации систем связанных общим дипольным полем антиферромагнитных осцилляторов была использована модель Курамото для фазовых осцилляторов, а также параметр порядка и его среднее значение. Результаты. Получена математическая модель для связанных общим дипольным полем антиферромагнитных осцилляторов для трёх топологий: кольцо, решётка и цепочка. На примере модели Курамото связанных осцилляторов и с помощью параметра порядка и его среднего значения была изучена синхронизация рассматриваемых массивов и было выяснено, что решётка является преимущественной топологией при одинаковых параметрах ансамбля. Заключение. В работе исследована задача синхронизации ансамблей антиферромагнитных спин-Холл осцилляторов (АФМ СХО), объединенных в различные топологии: кольцо, решётку и цепочку. Показано, что решётка является наиболее предпочтительной топологией для достижения синхронизации при меньших значениях константы силы связи между осцилляторами. Для кольца и цепочки требуются более высокие значения константы силы связи. Для достижения синхронизации в них требуется существенно повышать силу связи.  

Об авторах

Кристина Дмитриевна Самойленко

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук; Московский физико-технический институт (МФТИ)

ORCID iD: 0009-0008-9943-4103
SPIN-код: 2667-4031
125009, Россия, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7

Анастасия Юрьевна Митрофанова

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук; Московский физико-технический институт (МФТИ); Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (МГТУ им. Н.Э. Баумана)

ORCID iD: 0000-0003-4662-9632
SPIN-код: 8931-2251
125009, Россия, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7

Ансар Ризаевич Сафин

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

ORCID iD: 0000-0001-6507-6573
Scopus Author ID: 36523944600
ResearcherId: B-1228-2014
125009, Россия, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7

Сергей Аполлонович Никитов

Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук

ORCID iD: 0000-0002-2413-7218
ResearcherId: Р-8206-2014
125009, Россия, Москва, ул. Моховая, 11, корп.7

Список литературы

  1. Kim S. K., Beach G. S., Lee K. J., Ono T., Rasing T., Yang H. Ferrimagnetic spintronics // Nat. Mater. 2022. Vol. 21, iss. 1. P. 24–34. doi: 10.1038/s41563-021-01139-4.
  2. Kim K. W., Park B. G., Lee K. J. Spin current and spin-orbit torque induced by ferromag-nets // npj Spintronics. 2024. Vol. 2, iss. 1. P. 8. doi: 10.1038/s44306-024-00010-x.
  3. Gomonay O., Baltz V., Brataas A., Tserkovnyak Y. Antiferromagnetic spin textures and dynamics // Nature Phys. 2018. Vol. 14, iss. 3. P. 213—216. doi: 10.1038/s41567-018-0049-4.
  4. Han J., Cheng R., Liu L., Ohno H., Fukami S. Coherent antiferromagnetic spintronics // Nat Mater. 2023. Vol. 22, iss. 6. P. 684–695. doi: 10.1038/s41563-023-01492-6.
  5. Иванов Б. А. Спиновая динамика антиферромагнетиков и сверхбыстрая спинтроника // ЖЭТФ. 2020. Т. 158, № 1(7). С. 103–123. doi: 10.31857/S004445102007010X.
  6. Zhang W., Jungfleisch M. B., Jiang W., Pearson J. E., Hoffmann A., Freimuth F., Mokrousov Y. Spin Hall effects in metallic antiferromagnets // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, iss. 19. P. 196602. doi: 10.1103/PhysRevLett.113.196602.
  7. Puliafito V., Khymyn R., Carpentieri M., Azzerboni B., Tiberkevich V., Slavin A., Finocchio G. Micromagnetic modeling of terahertz oscilla-tions in an antiferromagnetic material driven by the spin Hall effect // Phys. Rev. B. 2019. Vol. 99, iss. 2. P. 024405. doi: 10.1103/PhysRevB.99.024405.
  8. Cheng R., Xiao D., Brataas A. Terahertz antiferromagnetic spin Hall nano-oscillator // Phys. Rev. Lett. 2016. Vol. 116, iss. 20. P. 207603. doi: 10.1103/PhysRevLett.116.207603.
  9. Safin A., Puliafito V., Carpentieri M., Finocchio G., Nikitov S., Stremoukhov P., Kirilyuk A. I., Tyberkevych V., Slavin A. N. Electrically tunable detector of THz-frequency signals based on an antiferromagnet // Appl. Phys. Lett. 2020. Vol. 117, iss. 22. P. 222411. doi: 10.1063/5.0031053.
  10. Sulymenko O., Prokopenko O., Lisenkov I., Akerman J., Tyberkevych V., Slavin A. N., Khymyn R. Ultra-fast logic devices using artificial “neurons” based on antiferromagnetic pulse generators // J. Appl. Phys. 2018. Vol. 124, iss. 15. P. 152115. doi: 10.1063/1.5042348.
  11. Mitrofanova A. Yu., Safin A. R, Kravchenko O. V. Neuromorphic computing based on an antiferromagnet-heavy metal hybrid structure under the action of laser pulses // J. Phys.: Conf. Ser. 2021. Vol. 2127, iss. 1. P. 012023. doi: 10.1088/1742-6596/2127/1/012023.
  12. Tsunegi S., Taniguchi T., Lebrun R., Yakushiji K., Cros V., Grollier J., Fukushima A., Yuasa S., Kubota H. Scaling up electrically synchronized spin torque oscillator networks // Sci. Rep. 2018. Vol. 8, iss. 1. P. 13475. doi: 10.1038/s41598-018-31769-9.
  13. Dieny B., Prejbeanu I. L., Garello K., Gambardella P., Freitas P., Lehndorff R., Raberg W., Ebels U., Demokritov S. O., Akerman J., Deac A., Pirro P., Adelmann C., Anane A., Chumak A. V., Hirohata A., Mangin S., Valenzuela S. O., Onbasl M. C., d’Aquino M., Prenat G., Finocchio G., Lopez-Diaz L., Chantrell R., Chubykalo-Fesenko O., Bortolotti P. Opportunities and challenges for spintronics in the microelectronics industry // Nat. Electron. 2020. Vol. 3, iss. 8. P. 446–459. doi: 10.1038/s41928-020-0461-5.
  14. Sulymenko O. R., Prokopenko O. V., Tiberkevich V. S., Slavin A. N., Ivanov B. A., Khymyn R. S. Terahertz-frequency spin Hall auto-oscillator based on a canted antiferromagnet // Phys. Rev. Applied. 2017. Vol. 8, iss. 6. P. 064007. doi: 10.1103/PhysRevApplied.8.064007.
  15. Khymyn R., Lisenkov I., Tiberkevich V., Ivanov B. A, Slavin A. Antiferromagnetic THz-frequency Josephson-like oscillator driven by spin current // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, iss. 1. P. 43705. doi: 10.1038/srep43705.
  16. Dyakonov M. Magnetoresistance due to edge spin accumulation // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, iss. 12. P. 126601. doi: 10.1103/PhysRevLett.99.126601.
  17. Hoffmann A. Spin Hall effects in metals // IEEE Trans. Magnetics. 2013. Vol. 49, iss. 10. P. 5172–5193. doi: 10.1109/TMAG.2013.2262947.
  18. Taniguchi T. Magnetoresistance originated from charge-spin conversion in ferromagnet // AIP Advances. 2018. Vol. 8, iss. 5. P. 055916. doi: 10.1063/1.5003397.
  19. Сафин А. Р., Никитов С. А. Нелинейная динамика антиферромагнитного спинтронного осциллятора // Известия вузов. Радиофизика. 2018. Т. 61, №. 11. C. 937–944.
  20. Hong H., Park H., Choi M. Y. Collective synchronization in spatially extended systems of coupled oscillators with random frequencies // Phys. Rev. E. 2005. Vol. 72, iss. 3. P. 036217. doi: 10.1103/PhysRevE.72.036217.
  21. Moriya T. Anisotropic superexchange interaction and weak ferromagnetism // Phys. Rev. 1960. Vol. 120, iss. 1. P. 91–98. doi: 10.1103/PhysRev.120.91.
  22. Дзялошинский И. Е. Термодинамическая теория «слабого» ферромагнетизма антиферромагнетиков // ЖЭТФ. 1957. Т. 32, №. 6. С. 1547–1563.
  23. Ozhogin V. I., Preobrazhenskii V. L. Effective anharmonicity of elastic subsystem in antiferromagnets // Physica B+C. 1977. Vol. 86–88. P. 979–981. doi: 10.1016/0378-4363(77)90768-9.
  24. Звездин A. K. О динамике доменных границ в слабых ферромагнетиках // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 29, № 10. P. 605–610.
  25. Иванов Б. А., Лапченко В. Ф., Сукстанский А. Л. Поверхностные спиновые волны в антиферромагнетиках // Физика твердого тела. 1985. Т. 27, №. 1. С. 173–180.
  26. Acebron J. A., Bonilla L. L., P erez Vicente C. J., Ritort F., Spigler R. The Kuramoto model: A simple paradigm for synchronization phenomena // Rev. Mod. Phys. 2005. Vol. 77, iss. 1. P. 137–185. doi: 10.1103/RevModPhys.77.137.
  27. Rodrigues F. A., Peron T. K. D., Kurths P. J. The Kuramoto model in complex networks // Phys. Rep. 2016. Vol. 610. P. 1–98. doi: 10.1016/j.physrep.2015.10.008.
  28. Garg N., Bhotla S. V. H., Muduli P. K., Bhowmik D. Kuramoto-model-based data classifi-cation using the synchronization dynamics of uniform-mode spin Hall nano-oscillators // Neuromorph. Comput. Eng. 2021. Vol. 1, iss. 2. P. 024005. doi: 10.1088/2634-4386/ac3258.
  29. Pikovsky A., Rosenblum M. Partially integrable dynamics of hierarchical populations of coupled oscillators // Phys. Rev. Lett. 2008. Vol. 101, iss. 26. P. 264103. doi: 10.1103/PhysRevLett. 101.264103.
  30. Митрофанова А. Ю., Сафин А. Р., Кравченко О. В., Никитов С. А. Взаимная синхронизация антиферромагнитных спинтронных осцилляторов // Известия высших учебных заведений России. Радиоэлектроника. 2022. Т. 25, №. 5. С. 80-90. doi: 10.32603/1993-8985-2022-25-5- 80-90.
  31. Шахгильдян В. В., Ляховкин А. А. Системы фазовой автоподстройки частоты. M.: Связь, 1972. 447 c.
  32. Trees B. R., Saranathan V., Stroud D. Synchronization in disordered Josephson junction arrays: Small-world connections and the Kuramoto model // Phys. Rev. E. 2005. Vol. 71, iss. 1. P. 016215. doi: 10.1103/PhysRevE.71.016215.
  33. Frank T. D., Richardson M. J. On a test statistic for the Kuramoto order parameter of synchronization: An illustration for group synchronization during rocking chairs // Physica D. 2010. Vol. 239, iss. 23–24. P. 2084–2092. doi: 10.1016/j.physd.2010.07.015.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».