Аннотация результатов, полученных в 2016 году
Проект посвящен исследованию возможности создания спинтронной системы технического зрения для роботизированной платформы автономного вождения. За текущий период были проанализированы требования к голографической системе технического зрения и микроволновым датчикам на основе спинтронных элементов и получены следующие результаты. Алгоритмы машинного зрения при решении задач опознания препятствий. Алгоритмы исследованы применительно к модельным задачам распознавания препятствий в задаче голографического восстановления интенсивности рассеяния. Основной задачей, требующей решения, была задача надежного восстановления изображения при низком пространственном разрешении (длинноволновое – порядка ~3 см - излучение, удаленность объекта) и ограниченной информации (один излучатель, малое число датчиков). Проведены исследования различных методик контроля ошибок восстановления (регуляризации задачи восстановления интенсивности рассеяния), включая различные версии метода регуляризации Тихонова. Проведены исследования эффективности различных методик выделения объекта на основе поля реконструированной интенсивности рассеяния, включая методики EM-подбора модельных параметров и различные методики порогового отсечения (которые показали себя более эффективными). Применительно к методикам контроля систематических ошибок восстановления поля интенсивности рассеяния было проведено моделирования поля излучения для различных типов источников и вариантов препятствий на основе метода конечных разностей во временной области (FiniteDifferenceTimeDomain).Разработан и испытан новый алгоритм восстановления поля рассеивающей плотности по голографической картине рассеяния, устойчивый к ошибкам вычисления и присутствию случайных шумов, работоспособный в условиях малого числа датчиков и ограниченного одним излучателем поля облучения объекта. Алгоритм восстановления использует для решения нелинейных интегральных уравнений метод пошаговой аппроксимации, аналогичный EM-алгоритму подбора параметров статистической модели. Проведено детальное тестирование границ работоспособности алгоритма на примере модельной задачи опознания препятствия в широкой области изменения параметров задачи. Получены новые результаты о критериях применимости и найдены эмпирическое описание границ применимости алгоритма. Разработанный алгоритм обеспечил параметры разрешения препятствий в 2-3 раза лучше априорно ожидаемых в задаче восстановления плотности с одним излучателем на тестовых задачах различения двух прямоугольных препятствий (стен), разделенных щелью, в широком диапазоне расстояний до объекта. Резонансные и высокочастотные свойства спиновых диодов. Проведен теоретический анализ ферромагнитного резонанса, управляемого переносимым вращательным моментом в туннельном магнитном переходе с двумя магнитными слоями – спиновом диоде в рамках макроспинового и микромагнитного моделирования. Теория основана на решении уравнений магнитодинамики, учитывающей вращательный момент для намагниченности, переносимый спин-поляризованным током. Проведен бифуркационный анализ уравнений магнитодинамики, позволяющий определить макроспиновые состояния равновесия в магнитных слоях спинового диода на плоскости параметров угол-ток. Выявлены условия достижения максимальной микроволновой чувствительности спинового диода в зависимости от направления закрепления спинов, геометрии намагничивания, величины магнитного поля и тока смещения. Расчеты показали, что в отсутствие базисного тока смещения максимальная резонансная чувствительность достигает максимума при взаимно-перпендикулярной геометрии намагничивания слоев. При наличии тока смещения резонансная чувствительность достигает максимума вблизи границы устойчивости спинового состояния слоя с незакрепленной намагниченностью. Вблизи критической линии потери устойчивости магнитного состояния микроволновый отклик спинового диода испытывает перехлест частотных ветвей вынужденных колебаний и демонстрирует гистерезисную зависимость амплитуды резонансных колебаний от частоты возбуждающего сигнала. Построена термоактивационная теория полевого отжига структуры спинового диода с магнитными и антиферромагнитными слоями в наклонном магнитном поле, которая показывает, что эффективное наклонное магнитное поле в свободном слое может создаваться обменным полем закрепления на интерфейсе структуры магнитного и антиферромагнитного слоев. В итоге показано, что микроволновая чувствительность спинового диода с двумя наклонно закрепленными намагниченностями слоев в отсутствие тока смещения не превышает 1000 мВ/мВт. При наличии тока смещения вблизи критического значения она может на порядок величины превышать чувствительность полупроводникового диода Шоттки 4000 мВ/мВт. При этом микромагнитная модель показывают меньшее значение микроволновой чувствительности, что может быть связано с влиянием пространственной неоднородности спиновых колебаний. С ростом магнитного поля растет резонансная частота, но чувствительность спинового диода в отсутствие тока смещения убывает обратно пропорционально приложенному магнитному полю. Однако при наличии тока смещения возможно превысить чувствительность диода Шоттки вплоть до частот 20 ГГц, что позволяет надеяться на достижение высокой чувствительности спинового диода на длинах волн до 1.5 см. Это важный результат для определения пределов видимости при голографической визуализации. Методом микромагнитного моделирования изучены процессы выпрямления переменного тока в магнитных туннельных переходах, один из ферромагнитных слоёв которых имеет вихревое распределение намагниченности. Была обнаружена критическая плотность тока, ниже которой отсутствует возбуждение намагниченности постоянным током смещения. При этом при одновременном действии переменного и постоянного тока чувствительность диода значительно возрастает, даже если постоянный ток смещения ниже полученного критического значения. Также было получено, что чувствительность вихревого диода значительно увеличивается при снижении мощности внешнего переменного сигнала. Разработка спиновых диодов и измерительных стендов. Разработан и изготовлен комбинированный лабораторный стенд для многозондовых и микроволновых измерений магниторезистивных, магнитных и резонансных параметров спиновых диодов с вариацией магнитного поля в плоскости и перпендикулярно структуре слоев спинового диода. Разработаны образцы для 2-х и 4-х зондовых измерений магнетосопротивления спиновых диодов со специальными контактными площадками. Спиновые диоды имели наностолбчатую гетероструктуру с наноразмерными толщинами слоев. Были подготовлены также образцы для измерений СВЧ чувствительности спиновых диодов, которые представляли собой фрагменты копланарной линии, со спиновым диодом в центре линии. Были проведены измерения полевой зависимости сопротивления образцов в продольном и поперечном магнитном поле. Определено направление легкой оси и величина поля коэрцитивности. Измеренные величины магнетосопротивления и произведении сопротивлении на площадь изготовленных лабораторных образцов показывали возможность их использования в качестве высокочувствительных спиновых диодов для измерения микроволновой мощности. Начаты работы по формированию стенда голографической визуализации на основе спиновых диодов и автоматизированной механической платформы.

Аннотация результатов, полученных в 2017 году
Проект посвящен анализу возможности голографической СВЧ визуализации объектов для системы автономного вождения автомобиля с применением спиновых диодов в качестве микроволновых чувствительных элементов. В проекте решаются три основные задачи: • теоретический и экспериментальный анализ микроволновых свойств туннельных магниторезистивных структур, которые предполагается использовать в качестве спиновых диодов в приемном канале голографической системы; • разработка и создание прототипа микроволновой голографической системы визуализации; • разработка устойчивых и быстрых алгоритмов численной обработки микроволновых сигналов голографической системы для распознавания изображений. В 2017 года в проекте были получены следующие важные результаты: • В соответствии с планом работ была исследована возможность повышения рабочий частоты спиновых диодов. Была предложена конструкция спинового диода с магнитными слоями, намагниченными под некоторым углом друг относительно друга, и закрепленных с помощью антиферромагнетиков с разной температурой блокировки. Показано, что рабочая резонансная рабочая частота такого устройства может быть значительно выше (до ~ 10 ГГц), чем у традиционно используемых магнитных туннельных структур с одним закрепленным слоем (до 3-4 ГГц). Этот результат существенно повышает ожидаемые параметры разрабатываемой системы спинтронного голографического зрения с точки зрения разрешающей способности и радиуса действия. Результаты данной работы были опубликованы в работе A. A. Khudorozhkov, P. N. Skirdkov, K. A. Zvezdin, P. M. Vetoshko, and A. F. Popkov Phys. Rev. B 96, 214410 (2017). • Также была исследована возможность повышения рабочей частоты в область частот выше 10 ГГц, для чего предложено использовать гетероструктуры с квантованием передаваемого вращательного момента. Проделан теоретический анализ особенностей квантования магнетосопротивления и крутящего момента при переносе спинов в металлической наноперемычке Co/Au/Co с металлическими контактами (Cu). Показано, что в наноразмерной металлической наноперемычке Co/Au/Co возможно получение микроволновой чувствительности в отсутствие магнитного поля смещения выше чувствительности спинового диода на магнитном туннельном переходе без поперечного квантования, достигаемой только при включении тока смещения вблизи его критического значения. Результаты данной работы были опубликованы в работе A Демин Г.Д., Попков А.Ф. Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики, 106, 12, 782 (2017). • Были изготовлены образцы спиновых диодов на основе многослойных магнитных гетероструктур с туннельной прослойкой из оксида магния. Нами проведены измерения магниторезистивных характеристик изготовленных образцов, некоторые из которых показали хорошие магниторезистивные параметры – до 100%. Был обнаружен СВЧ резонансный эффект выпрямления сигнала в области 150 МГц величиной 30 В/Вт. • Была разработана конструкция прототипа голографической визуализации в СВЧ диапазоне на основе многоканальной системы приема волнового фронта с использованием решетки антенн Вивальди и частотно-модулированного метода регистрации амплитуды и фазы отраженного микроволнового сигнала и создан макет. Проведена апробация работы системы, которая показала положительный результат работы системы. Было получено изображение цели, восстановленное из отраженных сигналов. • Проведены исследования параметров, условий применимости и возможных модификаций базового алгоритма восстановления изображений. Оценено влияние шумов и уровня принимаемого сигнала, исследованы различные версии технологий многомерной реконструкции изображений, в том числе применительно к возможному характеру дорожных препятствий, подлежащих опознанию, исследованы возможности использования ЛЧМ сигнала для улучшения качества восстановления трехмерной карты плотности и техники опознания. Разработана версия алгоритма, обеспечивающая трехмерную реконструкцию рассеивающей плотности и дающая возможность классификации препятствий в предположениях, учитывающих геометрические и физические параметры распознаваемых объектов. Надежность различения пары однотипных препятствий, разделенных расстоянием не менее теоретического порога разрешения, на расстояниях до 6 м, как правило, превышает 99%. Даны оценки допустимого уровня шумов и требуемой мощности излучателя, показано, что при мощности генератора до 2 Вт. дальность обнаружения составит до 15 м, и требования безопасности излучения при этом заведомо выполняются во всем диапазоне расстояний.

Аннотация результатов, полученных в 2018 году
Проведены микроскопические расчеты эффекта Зеебека в МТП, теплового эффекта передачи вращательного момента в комбинации с динамическими расчетами микроволновой чувствительности. Конкретно рассматривалась туннельная структура состава IrMn(7.5 nm)/CoFe(2.5 nm)/Ru(0.85 nm)/CoFe(0.5 nm)/CoFeB(3 nm)/MgO(0.78 nm)/CoFeB(3 nm). Расчеты показали, что с изменением мощности микромагнитного облучения меняется абсолютная величина скачков температуры, в то время как относительное изменение постоянного и переменного скачков температуры меняется слабо. Максимальная величина коэффициента Зеебека изменяется в зависимости от параметров структуры рассматриваемого типа и лежит в среднем в интервале от 30 до 150 μV/K, что коррелирует с результатами зарубежных работ. Микроволновая чувствительность содержит пиковую зависимость от частоты на дробных частотах резонанса, которые могут использоваться для выделения эффекта теплового переноса спинов из прямого переноса спинов поляризованным током. Эффект Зеебека в спиновом диоде может использоваться для обнаружения и микроволновой визуализации объектов как самостоятельный болометрический эффект. Пиковая чувствительность cпинового диода монотонно меняется в заданном интервале температур (от 50 до 400 К) на 9 %, в то время как в диоде Шоттки такая чувствительность меняется в 6 раз. Проведенные нами эксперименты по наблюдению выпрямленного микроволнового сигнала на спиновом диоде при прямом облучении спинового диода с микрополосковой токовой разводкой показали, что спиновый диод возможно использовать в качестве болометра, совмещающего в себе функции приемного антенного элемента и квадратичного нелинейного детектора, способного выполнять функции миксера. Предложена схема голографического радара с решеткой приемных элементов на основе СД. Был проведен анализ новых конфигураций и дизайнов спиновых диодов с точки зрения требований разрабатываемой системы машинного зрения. В дополнение к высокочастотной конструкции спинового диода с двойным закреплением магнитных слоев, в 2018 был проанализирован вихревая структура, в которой свободный слой находится в вихревом состоянии. Было продемонстрировано, что при использовании тока подкачки такая структура может демонстрировать очень высокую чувствительность (порядка 10.000 В/Вт), что в сочетании с низким уровнем шума делает эту конструкцию очень привлекательной для использования в системе спинтронного зрения. Результаты работы опубликованы в журнале Applied Physics Letters (https://doi.org/10.1063/1.5064440). Разработанный нами алгоритм восстановления поля рассеивающей плотности по голографической картине рассеяния на основе решения обратной задачи рассеяния c применением процедуры регуляризации Тихонова расширен до общего случая линейной зависимости ответа системы от рассеивающих свойств объекта. Исследования показали, что разработанный алгоритм демонстрирует устойчивость к ошибкам вычисления и присутствию случайных шумов, а также работоспособность в условиях малого числа датчиков и ограниченного одним излучателем поля облучения объекта. На базе итальянского партнера, исследовательского центра Torino eDistrict, был разработан и собран электрический автомобиль-"мул", предназначенный для тестирования радарной установки. Разработана система крепления антенной системы на передней части автомобиля. В начале 2019 года планируется проведение тестирования разработанной системы в реальных условиях с использованием автомобильной платформы Torino eDistrict.