Перестраиваемая спин-волновая линия задержки на основе феррита и диоксида ванадия

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Одним из ключевых элементов современной радиоэлектроники являются линии задержки, которые широко используется как для генерации СВЧ-сигналов, так и для их обработки. Спин-волновые линии задержки на основе эпитаксиальных ферритовых пленок обеспечивают высокие значения времени задержки и малые габариты. Обычно электронное управление временем задержки в таких линиях реализуется только путем изменения напряженности внешнего магнитного поля, что имеет ряд практических недостатков. Использование структур, состоящих из ферритовых пленок и материалов с фазовым переходом металл–диэлектрик, позволяет улучшить рабочие характеристики спин-волновых линий задержки, в частности, снизить их энергопотребление и повысить скорость управления временем задержки. Цель. Разработка перестраиваемой спин-волновой линии задержки на основе пленок феррита и диоксида ванадия, а также исследование ее рабочих характеристик. Методы. Экспериментальные исследования проводились на сконструированном макете перестраиваемой линии задержки СВЧ-сигнала на основе пленок железоиттриевого граната (ЖИГ) и диоксида ванадия (VO2). Ферритовый волновод был изготовлен из эпитаксиальной пленки ЖИГ, выращенной на подложке из гадолиний-галлиевого граната. Пленка диоксида ванадия была сформирована на подложке из диоксида кремния методом реактивного магнетронного распыления на постоянном токе. СВЧ измерения проводились с помощью векторного анализатора цепей R&S®R ZVA40. Результаты. Показано, что в результате фазового перехода металл–диэлектрик, обусловленного нагревом пленки VO2, происходит перестройка дисперсионных характеристик поверхностных спиновых волн в исследуемой линии задержки. Такая перестройка сопровождается изменением групповой скорости рабочих волн, что обеспечивает возможность управления временем задержки. В частности, в работе представлена конструкция линии задержки длиной 5 мм, которая обеспечивает управление временем задержки СВЧ-сигнала в пределах от 130 до 150 нс на частоте 4.33 ГГц. Заключение. Экспериментально продемонстрирован принцип управления временем задержки с помощью фазового перехода металл – диэлектрик, происходящего в пленке VO2. В частности, для исследуемой структуры было установлено, что переход пленки VO2 из непроводящего в проводящее состояние приводит к изменению времени задержки на 15%. Рассмотренные структуры могут быть использованы в различных приложениях, имеющих перспективные применения в области обработки СВЧ-сигналов.

Об авторах

Алексей Александрович Никитин

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

197376, Россия, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Андрей Евгеньевич Комлев

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

197376, Россия, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Андрей Александрович Никитин

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

197376, Россия, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Алексей Борисович Устинов

Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В.И. Ульянова (Ленина)

197376, Россия, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5

Список литературы

  1. Shahoei H., Yao J. Delay lines // In: Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering. Hoboken, New Jersey: Wiley, 2014. P. 1-15. doi: 10.1002/047134608X.W8234.
  2. Ishak W. S. Magnetostatic wave technology: a review // Proc. IEEE. 1988. Vol. 76, no. 2. P. 171- 187. doi: 10.1109/5.4393.
  3. d’Allivy Kelly O., Anane A., Bernard R., Ben Youssef J., Hahn C., Molpeceres A. H., Carret´ ero C., Jacquet E., Deranlot C., Bortolotti P., Lebourgeois R., Mage J.-C., de Loubens G., Klein O., Cros V., Fert A. Inverse spin Hall effect in nanometer-thick yttrium iron garnet/Pt system // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103, no. 8. P. 082408. doi: 10.1063/1.4819157.
  4. Costa J. D., Figeys B., Sun X., Van Hoovels N., Tilmans H. A., Ciubotaru F., Adelmann C. Compact tunable YIG-based RF resonators // Appl. Phys. Lett. 2021. Vol. 118, no. 16. P. 162406. doi: 10.1063/5.0044993.
  5. Lammel M., Scheffler D., Pohl D., Swekis P., Reitzig S., Piontek S., Reichlova H., Schlitz R., Geishendorf K., Siegl L., Rellinghaus B., Eng L. M., Nielsch K., Goennenwein S. T. B., Thomas A. Atomic layer deposition of yttrium iron garnet thin films // Phys. Rev. Mater. 2022. Vol. 6, no. 4. P. 044411. doi: 10.1103/PhysRevMaterials.6.044411.
  6. Adam J. D. Analog signal processing with microwave magnetics // Proc. IEEE. 1988. Vol. 76, no. 2. P. 159-170. doi: 10.1109/5.4392.
  7. Adam J. D., Daniel M. R., Okeeffe T. W. Magnetostatic wave devices // Microw. J. 1982. Vol. 25. P. 95-99.
  8. Chang K. W., Owens J. M., Carter R. L. Linearly dispersive time-delay control of magnetostatic surface wave by variable ground-plane spacing // Electron. Lett. 1983. Vol. 19, no. 14. P. 546-547. doi: 10.1049/el:19830370.
  9. Ustinov A. B., Demidov V. E., Kalinikos B. A. Electronically tunable nondispersive magnetostatic wave delay line // Electron. Lett. 2001. Vol. 37, no. 19. P. 1161-1162. doi: 10.1049/el:20010809.
  10. Высоцкий С. Л., Казаков Г. Т., Кожевников А. В., Никитов С. А., Романов А. В., Филимонов Ю. А. Бездисперсионная линия задержки на магнитостатических волнах // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 15. С. 45-50.
  11. Kabos P., Stalmachov V. S. Magnetostatic Waves and Their Application. Dordrecht: Springer, 1994. 303 p. doi: 10.1007/978-94-011-1246-8.
  12. Веселов А. Г., Высоцкий С. Л., Казаков Г. Т., Сухарев А. Г., Филимонов Ю. А. Поверхностные магнитостатические волны в металлизированных пленках ЖИГ // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39, № 12. С. 2067-2074.
  13. Vopson M. M. Fundamentals of multiferroic materials and their possible applications // Crit. Rev. Solid State Mater. Sci. 2015. Vol. 40, no. 4. P. 223-250. doi: 10.1080/10408436.2014.992584.
  14. Palneedi H., Annapureddy V., Priya S., Ryu J. Status and perspectives of multiferroic magnetoelectric composite materials and applications // Actuators. 2016. Vol. 5, no. 1. P. 9. DOI: 10.3390/ act5010009.
  15. Ustinov A.B., Drozdovskii A.V., Nikitin A.A., Semenov A.A., Bozhko D.A., Serga A. A., Hillebrands B., Lahderanta E., Kalinikos B. A. Dynamic electromagnonic crystal based on artificial multiferroic heterostructure // Commun. Phys. 2019. Vol. 2, no. 1. P. 137. doi: 10.1038/s42005-019-0240-7.
  16. Fetisov Y. K., Srinivasan G. Electrically tunable ferrite-ferroelectric microwave delay lines // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 87, no. 10. P. 103502. doi: 10.1063/1.2037860.
  17. Shi R., Shen N., Wang J., Wang W., Amini A., Wang N., Cheng C. Recent advances in fabrication strategies, phase transition modulation, and advanced applications of vanadium dioxide // Appl. Phys. Rev. 2019. Vol. 6, no. 1. P. 011312. doi: 10.1063/1.5087864.
  18. Ruzmetov D., Gopalakrishnan G., Ko C., Narayanamurti V., Ramanathan S. Three-terminal field effect devices utilizing thin film vanadium oxide as the channel layer // J. Appl. Phys. 2010. Vol. 107, no. 11. P. 114516. doi: 10.1063/1.3408899.
  19. Zhou Y., Ramanathan S. Mott memory and neuromorphic devices // Proc. IEEE. 2015. Vol. 103, no. 8. P. 1289-1310. doi: 10.1109/JPROC.2015.2431914.
  20. Safi T. S., Zhang P., Fan Y., Guo Z., Han J., Rosenberg E. R., Ross C., Tserkovnyak Y., Liu L. Variable spin-charge conversion across metal-insulator transition // Nat. Commun. 2020. Vol. 11, no. 1. P. 476. doi: 10.1038/s41467-020-14388-9.
  21. Morin F. J. Oxides which show a metal-to-insulator transition at the Neel temperature // Phys. Rev. Lett. 1959. Vol. 3, no. 1. P. 34-36. doi: 10.1103/PhysRevLett.3.34.
  22. Andreeva N. V., Turalchuk P. A., Chigirev D. A., Vendik I. B., Ryndin E. A., Luchinin V. V. Electron impact processes in voltage-controlled phase transition in vanadium dioxide thin films // Chaos, Solitons & Fractals. 2021. Vol. 142. P. 110503. doi: 10.1016/j.chaos.2020.110503.
  23. Cavalleri A., Toth C., Siders C. W., Squier J. A., Raksi F., Forget P., Kieffer J. C. Femtosecond structural dynamics in VO2 during an ultrafast solid-solid phase transition // Phys. Rev. Lett. 2001. Vol. 87, no. 23. P. 237401. doi: 10.1103/PhysRevLett.87.237401.
  24. Kikuzuki T., Lippmaa M. Characterizing a strain-driven phase transition in VO2 // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96, no. 13. P. 132107. doi: 10.1063/1.3380599.
  25. Nikitin A. A., Vitko V. V., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Karzin V. V., Komlev A. E., Kalinikos B. A., Lahderanta E. Spin-wave phase shifters utilizing metal-insulator transition // IEEE Magn. Lett. 2018. Vol. 9. P. 3706905. doi: 10.1109/LMAG.2018.2874172.
  26. Nikitin A. A., Vitko V. V., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Microwave tunable devices on the YIG-VO2 structures // J. Phys. Conf. Ser. 2019. Vol. 1400, no. 4. P. 044001. doi: 10.1088/1742- 6596/1400/4/044001.
  27. Nikitin A. A., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Komlev A. E., Lahderanta E., Kalinikos B. A. Metal- insulator switching of vanadium dioxide for controlling spin-wave dynamics in magnonic crystals // J. Appl. Phys. 2020. Vol. 128, no. 18. P. 183902. doi: 10.1063/5.0027792.
  28. Cueff S., John J., Zhang Z., Parra J., Sun J., Orobtchouk R., Ramanathan S., Sanchis P. VO2 nanophotonics // APL Photonics. 2020. Vol. 5, no. 11. P. 110901. doi: 10.1063/5.0028093.
  29. Watt S., Kostylev M., Ustinov A. B., Kalinikos B. A. Implementing a magnonic reservoir computer model based on time-delay multiplexing // Phys. Rev. Appl. 2021. Vol. 15, no. 6. P. 064060. doi: 10.1103/PhysRevApplied.15.064060.
  30. Nikitin A. A., Nikitin A. A., Ustinov A. B., Watt S., Kostylev M. P. Theoretical model for nonlinear spin-wave transient processes in active-ring oscillators with variable gain and its application for magnonic reservoir computing // J. Appl. Phys. 2022. Vol. 131, no. 11. P. 113903. 10.1063/ 5.0081142.
  31. Chumak A. V., Kabos P., Wu M. etal. Advances in magnetics roadmap on spin-wave computing // IEEE Trans. Magn. 2022. Vol. 58, no. 6. P. 0800172. doi: 10.1109/TMAG.2022.3149664.

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».