Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Статья имеет ранний доступ!

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF pnd_2025_3_samoylenko-ranniy_dostup.pdf
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Прикладные задачи нелинейной теории колебаний и волн
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182
DOI: 
10.18500/0869-6632-003154
EDN: 
JVIJVU

Влияние топологии связанных антиферромагнитных осцилляторов на их взаимную синхронизацию

Авторы: 
Самойленко Кристина Дмитриевна, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Митрофанова Анастасия Юрьевна, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Сафин Ансар Ризаевич, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Никитов Сергей Аполлонович, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
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.
 

Ключевые слова: 
синхронизация
антиферромагнитный спин-Холл осциллятор
модель Курамото
ансамбль
параметр порядка
Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ (Соглашение № 075-15-2024-538).
Список источников: 
  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 // Journal of Physics: Conference Series. 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., Onba¸slı 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.
Поступила в редакцию: 
22.08.2024
Принята к публикации: 
21.10.2024
Опубликована онлайн: 
07.12.2024
  • 360 просмотров