Channeling of magnetostatic surface waves by decoration of ferrite films with metals

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background and Objectives: One of the main tasks for developing magnonic devices is to form and control spin wave beams. For this purpose, the decoration of ferrite films with magnetic or non-magnetic metal areas can be used. The aim of this work is to study the peculiarities of magnetostatic surface wave (MSSW) propagation in the channels formed in yttrium-iron garnet (YIG) films by deposition of 1.5 μm thick metal decorations from chromium (Cr) and permalloy (Py). Materials and Methods: Studied samples were fabricated on the base of 6.5 μm-thick epitaxial YIG film by the DC magnetron sputtering, photolithography, and ion etching techniques. Frequency dependencies of magnitude and phase of the transmitted MSSW signal at different applied magnetic field were measured with the help of a vector network analyzer and a microwave probe station. Calculation of the dispersions and insertion losses for MSSW propagating in the metallized YIG film was performed on the basis of Maxwell’s equations in the magnetostatic approximation, the Landau-Lifshitz equation, and standard electrodynamic boundary conditions. Results and Conclusion: The optimal channel width w relative to the antenna aperture providing channeling of the MSSW signal with the possibility of “antireflective effect” for the transmitted signal has been found to be w = 200 μm. It has been shown that for the formation of channeling effect, one needs to use a non-magnetic metal with the thickness leading to a transition to the “metallic” branch of the MSSW dispersion or a magnetic metal with the thickness resulting in bending of a short-wavelength part of MSSW dispersion. For the studied samples, it is d(Cr) = 1.5 μm and d(Py) = 30 nm, respectively. The obtained results demonstrate the possibility of using the channels in metallic decorations for the formation of directed spin wave beams.

About the authors

Valentin Konstantinovich Sakharov

Saratov Branch of the Institute of RadioEngineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0001-7168-1198
Scopus Author ID: 7102083378
ResearcherId: ADD-5050-2019
38, Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia

Yuri Vladimirovich Khivintsev

Saratov State University; Saratov Branch of the Institute of RadioEngineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0002-6228-7428
410012, Russia, Saratov, Astrakhanskaya street, 83

Aleksandr Sergeevich Dzhumaliev

Saratov Branch of the Institute of RadioEngineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

38, Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia

Yuri Vasil'evich Nikulin

Saratov Branch of the Institute of RadioEngineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

38, Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia

Aleksander Vladimirovich Kozhevnikov

Saratov Branch of the Institute of RadioEngineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

38, Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia

Yuri Aleksandrovich Filimonov

Saratov Branch of the Institute of RadioEngineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

ORCID iD: 0000-0002-2645-6669
38, Zelenaya Str., Saratov 410019, Russia

References

  1. Хитун А. Г., Кожанов А. Е. Приборы магнонной логики // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2017. Т. 17, вып. 4. С. 216–241. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2017-17-4-216-241
  2. Kruglyak V. V., Demokritov S. O., Grundler D. Magnonics // J. Phys. D. Appl. Phys. 2010. Vol. 43, № 26. Article number 264001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/26/264001
  3. Serga A. A., Chumak A. V., Hillebrands B. YIG magnonics // J. Phys. D. Appl. Phys. 2010. Vol. 43, № 26. Article number 264002. https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/26/264002
  4. Barman A., Gubbiotti G., Ladak S., Adeyeye A. O., Krawczyk M., Gräfe J., Adelmann C., Cotofana S., Naeemi A., Vasyuchka V. I., Hillebrands B., Nikitov S. A., Yu H., Grundler D., Sadovnikov A. V., Grachev A. A., Sheshukova S. E., Duquesne J.-Y., Marangolo M., Csaba G., Porod W., Demidov V. E., Urazhdin S., Demokritov S. O., Albisetti E., Petti D., Bertacco R., Schultheiss H., Kruglyak V. V., Poimanov V. D., Sahoo S., Sinha J., Yang H., Münzenberg M., Moriyama T., Mizukami S., Landeros P., Gallardo R. A., Carlotti G., Kim J.-V., Stamps R. L., Camley R. E., Rana B., Otani Y., Yu W., Yu T., Bauer G. E. W., Back C., Uhrig G. S., Dobrovolskiy O. V., Budinska B., Qin H., van Dijken S., Chumak A. V., Khitun A., Nikonov D. E., Young I. A., Zingsem B. W., Winklhofer M. The 2021 magnonics roadmap // J. Phys.: Cond. Matt. 2021. Vol. 33, № 41. Article number 413001. https://doi.org/10.1088/1361-648X/abec1a
  5. Gertz F., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Magnonic holographic memory // IEEE Trans. Magn. 2015. Vol. 51, iss. 4. Article number 4002905. https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2362723
  6. Khivintsev Y. V., Sakharov V. K., Kozhevnikov A. V., Dudko G. M., Filimonov Y. A., Khitun A. Spin waves in YIG based magnonic networks: Design and technological aspects // J. Magn. Magn. Mater. 2022. Vol. 545. Article number 168754. https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2021.168754
  7. Davies C. S., Sadovnikov A. V., Grishin S. V., Sharaevsky Y. P., Nikitov S. A., Kruglyak V. V. Field-Controlled Phase-Rectified Magnonic Multiplexer // IEEE Trans. Magn. IEEE. 2015. Vol. 51, iss. 11. Article number 3401904. https://doi.org/10.1109/TMAG.2015.2447010
  8. Papp Б., Porod W., Csurgay Б. I., Csaba G. Nanoscale spectrum analyzer based on spin-wave interference // Sci. Rep. 2017. Vol. 7. Article number 9245. https://doi.org/10.1038/s41598-017-09485-7
  9. Gieniusz R., Gruszecki P., Krawczyk M., Guzowska U., Stognij A., Maziewski A. The switching of strong spin wave beams in patterned garnet films // Sci. Rep. 2017. Vol. 7. Article number 8771. https://doi.org/10.1038/s41598-017-06531-2
  10. Дудко Г. М., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Стальмахов А. В., Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В. Расчет фокусирующих преобразователей спиновых волн методом микромагнитного моделирования // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18, вып. 2. С. 92–102. https://doi.org/10.18500/1817-3020-2018-18-2-92-102
  11. Beginin E. N., Sadovnikov A. V., Sharaevskaya A. Y., Stognij A. I., Nikitov S. A. Spin wave steering in three-dimensional magnonic networks // Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112, iss. 12. Article number 122404. https://doi.org/10.1063/1.5023138
  12. Sakharov V. K., Beginin E. N., Khivintsev Y. V., Sadovnikov A. V., Stognij A. I., Filimonov Y. A., Nikitov S. A. Spin waves in meander shaped YIG film: Toward 3D magnonics // Appl. Phys. Lett. 2020. Vol. 117, iss. 2. Article number 022403. https://doi.org/10.1063/5.0013150
  13. Stancil D. D., Morgenthaler F. R. Guiding magnetostatic surface waves with nonuniform in-plane fields // J. Appl. Phys. 1983. Vol. 54, iss. 3. P. 1613–1618. https://doi.org/10.1063/1.332146
  14. Анненков А. Ю., Герус С. В., Ковалев С. И. Объемные и поверхностно-объемные магнитостатические волны в волноводах, создаваемых ступенчатым полем подмагничивания // ЖТФ. 2004. Т. 49, вып. 2. С. 98–104.
  15. Vugalter G. A., Korovin A. G. Total internal reflection of backward volume magnetostatic waves and its application for waveguides in ferrite films // J. Phys. D. Appl. Phys. 1998. Vol. 31, № 11. P. 1309–1319. https://doi.org/10.1088/0022-3727/31/11/004
  16. Хивинцев Ю. В., Дудко Г. М., Сахаров В. К., Никулин Ю. В., Филимонов Ю. А. Распространение спиновых волн в микроструктурах на основе пленок железоиттриевого граната, декорированных ферромагнитным металлом // ФТТ. 2019. Т. 61, вып. 9. С. 1664–1671. https://doi.org/10.21883/FTT.2019.09.48108.15N
  17. Сахаров В. К., Хивинцев Ю. В., Джумалиев А. С., Никулин Ю. В., Селезнев М. Е., Филимонов Ю. А. Распространение спиновых волн в каналах, полученных декорированием поверхности пленок железо-иттриевого граната тонкими металлическими областями // ФТТ. 2023. Т. 65, вып. 7. C. 1186–1193. https://doi.org/10.21883/FTT.2023.07.55843.20H
  18. Kanazawa N., Goto T., Hoong J. W., Buyandalai A., Takagi H., Inoue M. Metal thickness dependence on spin wave propagation in magnonic crystal using yttrium iron garnet // J. Appl. Phys. 2015. Vol. 117. Article number 17E510. https://doi.org/10.1063/1.4916815
  19. Seshadri S. R. Surface Magnetostatic Modes of a Ferrite Slab // Proc. IEEE. 1970. Vol. 58, iss. 3. P. 506–507. https://doi.org/10.1109/PROC.1970.7680
  20. Camley R. E., Maradudin A. A. Magnetostatic interface waves in ferromagnets // Solid State Commun. 1982. Vol. 41, iss. 8. P. 585–588. https://doi.org/10.1016/0038-1098(82)90946-2
  21. Зубков В. И., Епанечников В. А., Щеглов В. И. Дисперсионные характеристики поверхностных магнитостатических волн в двуслойной ферромагнитной пленке // РЭ. 2007. Т. 52, № 2. С. 192–201.
  22. Зубков В. И., Локк Э. Г., Нам Б. П., Хе А. С., Щеглов В. И. Дисперсия поверхностных магнитостатических волн в двуслойных ферритовых пленках // ЖТФ. 1989. Т. 59, вып. 12. С. 115–117.
  23. Damon R. W., Eshbach J. R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab // J. Phys. Chem. Solids. 1961. Vol. 19, iss. 3–4. P. 308–320. https://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90041-5
  24. Khivintsev Y. V., Filimonov Y. A., Nikitov S. A. Spin wave excitation in yttrium iron garnet films with micron-sized antennas // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106. Article number 052407. https://doi.org/10.1063/1.4907626
  25. Donahue M. J., Porter D. G. OOMMF user’s guide, version 1.0. Gaithersburg, MD : NIST, 1999. 83 p. https://doi.org/10.6028/NIST.IR.6376
  26. Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В. Взаимодействие поверхностной магнитостаттической и объемных упругих волн в металлизированной структуре ферромагнетик-диэлектрик // РЭ. 2002. Т. 47, № 8. С. 1002–1007.
  27. Mruczkiewicz M., Krawczyk M. Nonreciprocal dispersion of spin waves in ferromagnetic thin films covered with a finite-conductivity metal // J. Appl. Phys. 2014. Vol. 115. Article number 113909. https://doi.org/10.1063/1.4868905
  28. Kolodin P. A., Gromova Y. V., Kostylev M. P. Effect of Surface Spin Pinning on the Spin-Wave Propagation in Yttriun Iron Garnet Films // IEEE Trans. Magn. 1997. Vol. 33, iss. 6. P. 4465–4468. https://doi.org/10.1109/20.649883

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

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».