Том 30, № 5 (2022)
Статьи
К юбилею Юрия Павловича Шараевского
Аннотация
Сердечно поздравляем Юрия Павловича Шараевского с 80-летием и желаем ему крепкого здоровья! Желаем не унывать и философски относиться к различным жизненным обстоятельствам так, как он это делал ранее!
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):517-519
517-519
Экспериментальные методы исследования спиновых волн
Аннотация
Целью данной работы является обзорное описание различных экспериментальных методов исследования характеристик спиновых волн. Методы. В работе представлено описание ряда экспериментальных методик, таких как метод зондирования, метод измерения фазовых сдвигов, метод измерения эквифазных зависимостей, метод пересекающихся волновых пучков, а также использование фурье-анализа комплексного коэффициента передачи спиновых волн для определения их пространственного спектра. Подробно обсуждаются условия использования перечисленных методов и характеристики спиновых волн, которые можно измерить с помощью перечисленных методов. Результаты. В работе представлен ряд фундаментальных результатов, которые были получены на основе описываемых методов. Так, метод зондирования успешно использовался для визуализации распределения амплитуды и фазы спиновых волн в плоскости ферритовой пленки. В частности, с его помощью было экспериментально подтверждено предсказанное ранее возникновение сверхнаправленного распространения волновых пучков поверхностной и обратной объемной спиновых волн. Метод измерения фазовых сдвигов позволил измерить дисперсионные зависимости спиновых волн в таких ферритовых структурах, как феррит – металл и феррит – диэлектрик – металл, в которых невозможно проводить измерения с помощью метода зондирования. Метод измерения эквифазных зависимостей спиновых волн позволил, в частности, впервые с большой точностью измерить величину внешнего магнитного поля, намагничивающего пленку железоиттриевого граната до насыщения в различных кристаллографических направлениях. Метод пересекающихся волновых пучков позволил выяснить механизм возникновения параметрической неустойчивости поверхностных спиновых волн. Фурье-анализ комплексного коэффициента передачи спиновых волн позволил определить пространственный спектр этих волн; в частности, с помощью этого метода были впервые измерены дисперсионные зависимости высших мод обратной объемной спиновой волны. Заключение. Описанные в работе методы могут и в дальнейшем успешно использоваться для исследования характеристик спиновых волн в различных магнонных кристаллах, ферритовых структурах и мета-структурах.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):520-533
520-533
Резонансные и нелинейные явления при распространении магнитостатических волн в мультиферроидных, полупроводниковых и металлизированных структурах на основе ферромагнитных плёнок и магнонных кристаллов
Аннотация
Целью данной работы является составление обзора нового и плодотворного научного направления в магнонике, которое выросло из работ доктора физико-математических наук, профессора Юрия Павловича Шараевского и связано с исследованиями резонансных и нелинейных явлений при распространении магнитостатических волн в ферромагнитных плёнках, ферромагнитных плёнках с периодическими неоднородностями (магнонных кристаллах), связанных (слоистых и латеральных) ферромагнитных структурах, а также ферромагнитных структурах со слоями другой физической природы (полупроводниковыми, сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими, слоями нормального металла). Методы. Использованы экспериментальные и теоретические методы исследования спин-волновых возбуждений в широком классе структур с ферромагнитными слоями. В частности, экспериментальные радиофизические методы СВЧ-измерений и оптические методы мандельштам-бриллюэновской спектроскопии. Для построения теоретических моделей использованы: метод связанных волн, метод сшивания магнитных проницаемостей на границах слоёв, метод матриц передачи, длинноволновое приближение. Результаты. Представленные результаты имеют общенаучное значение для понимания основных закономерностей совместного влияния связи, периодичности и взаимодействий разной физической природы (влияние на магнитостатическую волну деформации в периодических структурах с пьезоэлектриком, электромагнитной волны в структурах с сегнетоэлектриком, электрического тока в структурах с полупроводником, спинового тока в структурах с нормальным металлом). В прикладном плане выявленные эффекты открывают широкие возможности для создания новых устройств спин-волновой электроники с возможностью динамического управления характеристиками при изменении электрического и магнитного поля, а также мощности входного сигнала. Выводы. Приведен обзор наиболее интересных результатов, полученных авторами совместно с Юрием Павловичем Шараевским и являющихся идейным продолжением заложенных им основ.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):534-553
534-553
Модуляция магнитоимпеданса в планарной магнитоэлектрической гетероструктуре ферромагнетик - пьезоэлектрик
Аннотация
Эффект гигантского изменения импеданса ферромагнитных материалов под действием внешнего магнитного поля широко применяют для создания высокочувствительных датчиков магнитных полей. Цель данной работы состояла в демонстрации возможностей управления величиной магнитоимпеданса в структуре ферромагнетик– пьезоэлектрик с помощью электрического поля. Метод. В измерениях использовали планарную гетероструктуру, содержащую полоску из аморфного ферромагнетика Metglas толщиной 25 мкм и длиной 25 мм, механически соединенную с биморфом толщиной 0.5 мм и длиной 30 мм из пьезокерамики цирконата-титаната свинца. Через полоску пропускали переменный ток с частотой 30 кГц...10 МГц, структуру помещали в продольное постоянное магнитное поле 0...500 Э, к пьезобиморфу прикладывали переменное электрическое поле напряженностью до 400 В/см с частотой 60 Гц...50 кГц и регистрировали изменение величины импеданса полоски. Результаты. В отсутствие электрического поля обнаружено сужение области магнитных полей существования магнитоимпеданса при уменьшении частоты тока и насыщение магнитоимпеданса в магнитных полях выше 334 Э. Максимальная величина магнитоимпеданса достигала 18% при частоте тока через полоску 1 МГц. Приложение электрического поля к пьезобиморфу приводило к появлению в спектре частот напряжения на ферромагнитном слое боковых составляющих, что освидетельствует об амплитудно-фазовой модуляции магитоимпеданса. Коэффициент амплитудной модуляции достигал максимального значения 6 · 10−3 при частоте электрического поля 11.2 кГц и монотонно падал при увеличении магнитного поля. Модуляция магнитоимпеданса возникает в результате обратного магнитоэлектрического эффекта в гетероструктуре, приводящего к модуляции намагниченности ферромагнитного слоя и последующему изменению относительной магнитной проницаемости и толщины скин-слоя в ферромагнетике. Результаты могут быть использованы для создания датчиков магнитных полей, управляемых электрическим полем.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):554-562
554-562
Магнитные метаповерхности с металлическими включениями
Аннотация
Цель. Разработка и создание магнитных метаповерхностей с металлическими включениями, работающими как в микроволновом, так и в терагерцевом диапазонах частот. Методы. Для построения аналитических моделей магнитных метаповерхностей, выполненных на основе либо ферромагнитной (ФМ), либо антиферромагнитной (АФМ) диэлектрической матрицы, внутри которой содержится двумерная периодическая структура из тонких металлических (немагнитных) проволок, окруженных изоляторами, используются уравнения Максвелла и выражения для эффективных материальных параметров среды. Численное моделирование таких структур, работающих в микроволновом диапазоне, осуществляется с использованием программного пакета MaxLLG. Для создания бикомпонентных магнитных метаповерхностей, состоящих из двух магнитных материалов с сильно отличными значениями намагниченности, используются методы магнетронного напыления, жидкостного травления, оптической литографии и взрывной (lift-off) фотолитографии. Исследования линейных и нелинейных характеристик бикомпонентных магнитных метаповерхностей проводятся с привлечением методов микроволновой и бриллюэновской спектроскопии. Результаты. На основе разработанной аналитической модели магнитной метаповерхности с металлическими (немагнитными) включениями демонстрируется возможность получения дважды отрицательной среды не только в микроволновом (на основе ФМ-матрицы), но и в терагерцевом (на основе АФМ-матрицы) диапазонах частот. Причем в последнем случае существуют две частотные области, в которых материальные параметры магнитной метаповерхности являются дважды отрицательными. Для магнитных метаповерхностей с металлическими магнитными включениями установлено образование полос поглощения в спектре бегущей поверхностной магнитостатической спиновой волны за счет резонансных свойств включений. В нелинейном режиме обнаружен эффект невзаимного параметрического трехволнового резонанса. Заключение. Представленные в работе результаты демонстрируют ряд физических феноменов, которые наблюдаются только в магнитных метаповерхностях с металлическими (немагнитными и магнитными) включениями.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):563-591
563-591
Спин-волновая диагностика эпитаксиальных феррит-диэлектрических структур
Аннотация
Цель настоящего исследования — выяснение механизма преобразования электромагнитных и обменных спиновых волн (ОСВ) в тонком переходном слое эпитаксиальных феррит-диэлектрических структур, а также исследование возможностей использования коротковолновых ОСВ для диагностики магнитных неоднородностей эпитаксиальных пленок железоиттриевого граната (ЖИГ). Методы. В данной работе исследуются процессы гибридизации электромагнитных и обменных спиновых волн в тонком переходном слое эпитаксиальной пленки ЖИГ. Исследуются особенности дисперсии гибридизованных волн в окрестности частот фазового синхронизма при нормальном и касательном намагничивании пленки ЖИГ. Результаты. Показано, что в пределах толщины переходного слоя дисперсия возбуждаемых ОСВ испытывает значительные искажения, что проявляется в сдвигах частот спин-волнового резонанса. На основании этого предложена методика расчета распределения спонтанной намагниченности по толщине пленки ЖИГ, которая использовалась для моделирования процессов возбуждения спин-волновых резонансов. Заключение. Предложенная методика спин-волновой диагностики пленок ЖИГ может эффективно применяться для неразрушающего контроля всех типов эпитаксиальных феррит-диэлектрических структур, что может быть востребовано в сфере технологии их производства и в сфере их практического применения.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):592-604
592-604
Перестраиваемая спин-волновая линия задержки на основе феррита и диоксида ванадия
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.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):605-616
605-616
Влияние трехмагнонных распадов на генерацию ЭДС поверхностными магнитостатическими волнами в интегральных структурах ЖИГ- Pt
Аннотация
Цель настоящего исследования — определить влияние процессов трехмагнонных распадов на ЭДС (U), генерируемую за счет обратного спинового эффекта Холла в структуре железоиттриевый гранат (ЖИГ) — платина (Pt) бегущими поверхностными магнитостатическими волнами (ПМСВ). Методы. Эксперименты выполнялись с макетами линии задержки на основе пленок ЖИГ толщиной 8.8 и 14.6 мкм, на поверхности которых формировались антенны для возбуждения и приема ПМСВ и пленка Pt между ними. Результаты. Показано, что трехмагнонная параметрическая неустойчивость может существенно менять характер зависимости ЭДС от частоты и мощности ПМСВ как за счет эффекта ограничения мощности, так и за счет участия параметрических (ПСВ) и вторичных (ВСВ) спиновых волн в процессах электрон-магнонного рассеяния на границе ЖИГ/Pt. Заключение. Показано, что эффект усиления генерации ЭДС на частотах вблизи длинноволновой границы спектра ПМСВ связан с заселением ПСВ и ВСВ области спектра анизотропных дипольно-обменных спиновых волн, характеризующейся наличием сингулярностей в плотности состояния магнонов (сингулярностей ван Хова).
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):617-643
617-643
Спектр обменных спиновых волн в одномерном магнонном кристалле с антиферромагнитным упорядочением
Аннотация
Цель исследования заключается в том, чтобы показать, что условия распространения обменных спиновых волн (ОСВ) в асимметричной сверхрешетке с антиферромагнитно упорядоченными ячейками существенно зависят от киральности прецессии намагниченности ОСВ (поляризации, «магнонного псевдоспина»). Метод. При построении спектров ОСВ применяются модель Кронинга–Пенни (метод трансфер-матрицы) и уравнение Ландау–Лифшица для определения характера волн в ячейках. В случае одноосной среды существует ОСВ только одного типа, поэтому при сшивке полей на границе сохранение киральности является существенным фактором, благодаря которому ОСВ в одной ячейке всегда является бегущей, а в другой — эванесцентной. Таким образом, сверхрешетка для ОСВ является эффективным периодическим «потенциалом», в котором асимметрия может быть реализована либо приложением внешнего поля, либо различием в толщине и/или физических свойствах материалов ячеек. Результаты. На основании анализа спектра построены карты зон пропускания для ОСВ разной киральности в трех представлениях — «блоховское волновое число – частота», «частота – относительная толщина ячейки», а также в плоскости волновых чисел ячеек. Показано, что наличие асимметрии приводит к различию в ширине зон пропускания волн разной киральности. Для конечной структуры построены частотные зависимости коэффициентов пропускания и отражения ОСВ. Также обнаружено усиление затухания ОСВ вблизи границ зон пропускания. Заключение. Результаты исследования могут быть использованы при конструировании магнонных вентилей и других устройств на ОСВ, в которых можно управлять их киральностью.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):644-655
644-655
Исследование возбуждения короткозамкнутым коаксиальным преобразователем магнитостатических мод в прямоугольной пленке железоиттриевого граната
Аннотация
Цель. Исследование новой конструкции короткозамкнутого коаксиального возбудителя с тонкой линейной перемычкой, замыкающейся на обе стороны заземленного коаксиального цилиндра, расположенной над прямоугольной пленкой железоиттриевого граната (ЖИГ) в однородном поле подмагничивания, направленном в плоскости прямоугольной пленки вдоль её длины или ширины. Тонкая линейная перемычка направлена параллельно ширине пленки ЖИГ. Методы. В среде CST Microwave Studio методом конечных элементов проведен электродинамический анализ исследуемой модели. Для изучения эффективности возбуждения мод в ферритовой пленке при различных расстояниях между коаксиальным возбудителем и поверхностью пленки ЖИГ были рассчитаны зависимости обратных потерь S11 модели от частоты. Результаты. 1. Проведена идентификация мод в однородном статическом магнитном поле H, направленном параллельно плоскости прямоугольной пленки ЖИГ вдоль eё ширины (оси y). 2. Проведена идентификация мод в однородном статическом магнитном поле H, направленном параллельно плоскости прямоугольной пленки ЖИГ вдоль ее длины (оси z). 3. Проведено сравнение спектров мод при векторе H, направленном параллельно плоскости пленки ЖИГ вдоль ее ширины (оси y) и длины (оси z). Заключение. В настоящей работе исследована конструкция короткозамкнутого возбудителя с тонкой линейной перемычкой, замыкающейся на обе стороны заземленного коаксиального цилиндра. Электродинамическим методом проведен расчет распределений высокочастотного магнитного поля возбуждаемых магнитостатических мод и проведена их идентификация для двух направлений однородного поля подмагничивания: вдоль ширины и вдоль длины прямоугольной пленки ЖИГ. Исследована также зависимость числа возбуждаемых мод от близости короткозамкнутого возбудителя к прямоугольному образцу пленки ЖИГ. Проведено сравнение спектров мод при H, направленном параллельно плоскости пленки ЖИГ вдоль ее ширины и длины. При таком повороте вектора H полоса эффективно возбуждаемых мод смещается с 4.6...4.9 ГГц до 4.5...4.75 ГГц. Однако возбуждение указанных мод в случае вектора H, направленного вдоль ширины пленки ЖИГ (оси y), много эффективнее в полосе 4.65...4.9 ГГц, чем в случае, когда этот вектор направлен вдоль длины пленки ЖИГ (оси z). В то же время возбуждение указанных мод в случае вектора H, направленного вдоль длины пленки ЖИГ (оси z) много эффективнее в полосе 4.4...4.6 ГГц.
Известия высших учебных заведений. Прикладная нелинейная динамика. 2022;30(5):656-668
656-668