Исследование сверхвысокочастотных свойств магнонных кристаллов на основе ферромагнитных пленок

2
СОДЕРЖАНИЕ
СІ ІИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ................................. 5
ВВЕДЕНИЕ...................................................... 6
ГЛАВА 1.
СПИНОВЫЕ ВОЛНЫ В ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ И МАГ-НОННЫХ КРИСТАЛЛАХ НА ИХ ОСНОВЕ (ОБЗОР)....................... 14
1.1. Спиновые волны в тонких ферромагнитных пленках...... 14
1.2. Нелинейные процессы в ферромагнитных пленках........ 21
1.3. Магнонные кристаллы на основе ферромагнитных пленок 30
1.4. Выводы по главе..................................... 39
ГЛАВА 2.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ ЛИНЕЙНЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ОДНОМЕРНЫХ МАГНОННЫХ КРИСТАЛЛАХ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ 41
2.1. Теоретическое исследование спектра и потерь спиновых волн, распространяющихся в магнонных кристаллах конечной длины....................................................... 42
2.1.1. Численная модель.............................. 42
2.1.2. Влияние длины магнитной периодической структуры на передаточную характеристику и закон дисперсии спиновых волн одномерного магнонного кристалла........... 46
2.1.3. Влияние магнитной диссипации на передаточную и дисперсионную характеристику магнонного кристалла 51
2.2. Экспериментальное исследование спектра и потерь спиновых волн, распространяющихся в магнонных кристаллах.......... 54
2.2.1. Экспериментальный макет, экспериментальная установка и методика измерений............................... 54
2.2.2. Экспериментальные результаты.................. 57
3
2.3. Выводы по главе...................................... 61
ГЛАВА 3.
ОСОБЕННОСТИ НЕЛИНЕЙНЫХ СПИНОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В КАСАТЕЛЬНО НАМАГНИЧЕННЫХ ОГ РАНИЧЕННЫХ ФЕРРОМАГНИТНЫХ ПЛЕНКАХ................................................ 62
3.1. Экспериментальный макет, экспериментальная установка и методика измерений касательно намагниченного пленочного ферромагнитного резонатора................................ 63
3.2. Экспериментальное исследование нелинейного отклика касательно намагниченного пленочного ферромагнитного резонатора...................................................... 66
3.3. Влияние нелинейного затухания спиновых волн на нелинейный сдвиг частоты касательно намагниченного пленочного ферромагнитного резонатора................................ 71
3.4. Выводы по главе...................................... 73
ГЛАВА 4.
РАСПРОСТРАНЕНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ СПИНОВЫХ ВОЛН В ОДНОМЕРНЫХ МАПЮННЫХ КРИСТАЛЛАХ КОНЕЧНОЙ ДЛИНЫ .... 75
4.1. Экспериментальный макет, экспериментальная установка и методика измерений........................................ 75
4.2. Экспериментальное исследование частотных коэффициентов передачи магнонных кристаллов при повышенных уровнях СВЧ-мощности.............................................. 77
4.3. Теоретическое описание нелинейного затухания и нелинейного сдвига частоты спиновых волн в магнонных кристаллах конечной длины.............................................. 81
4.4. Применение нелинейных свойств магнонных кристаллов для обработки СВЧ-сигнала..................................... 95
4.5. Выводы по главе...................................... 99
4
ГЛАВА 5.
НАБЛЮДЕНИЕ СОЛИТОННЫХ ЯВЛЕНИЙ СПИНОВЫХ ВОЛН В МАГНОННЫХ КРИСТАЛЛАХ......................................... 100
5.1. Импульсное возбуждение солитонов огибающей спиновых
волн в магнонных кристаллах.......................... 101
5.1.1. Экспериментальный макет, экспериментальная установка и методика измерений.............................. 101
5.1.2. Полученные результаты и их обсуждение........ 104
5.2. Возникновение собственной модуляционной неустойчивости и монохроматическое возбуждение солитонов огибающей спиновых волн в магнонных кристаллах........................ 109
5.2.1. Экспериментальный макет, экспериментальная установка и методика измерений.............................. 110
5.2.2. Полученные результаты и их обсуждение........ 113
5.3. Выводы по главе..................................... 121
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................... 122
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ........................................... 124
СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ...................... 131
5
СПИСОК ОСНОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ
СВ - спиновая волна СВЧ - сверхвысокие частоты МК - магнонный кристалл МСВ - магнитостатические волны АЧХ - амплитудно-частотная характеристика ФЧХ - фазо-частотная характеристика ГГГ - гадолиний-галлиевый фанат ЖИГ - железо-и гфиевый гранат ГТОСВ - прямая объемная спиновая волна ООСВ - обратная объемная спиновая волна ПСВ - поверхностная спиновая волна
6
ВВЕДЕНИЕ
Спиновые волны (СВ), распространяющиеся в ферромагнитных пленках и слоистых структурах на их основе, уже многие годы успешно используются для построения различных приборов аналоговой обработки сигналов в диапазоне сверхвысоких частот.
Спиновые волны обладают рядом особенностей, таких как малые групповая и фазовая скорости; широкий диапазон рабочих частот (до 100 ГГц); разнообразие дисперсионных характеристик; сильно анизотропный характер распространения, вызванный полем подмагничивания; невзаимность дисперсионных характеристик; относительно малые потери на распространение спиновых волн; легкость возбуждения и приема; большое разнообразие нелинейных эффектов [1,2].
Интерес к спиновым волнам в тонкопленочных ферромагнитных средах носит как фундаментальный, так и прикладной характер. С фундаментальной точки зрения этот интерес обуславливается тем, что ферромагнитные пленки являются удобной средой для изучения линейных и нелинейных волновых явлений. С прикладной точки зрения интерес к спиновым волнам обусловлен тем, что особенности процессов возбуждения, распространения и детектирования СВ можно использовать при создании таких устройств, как фильтры, резонаторы, линии задержки, генераторы СВЧ-колебаний, вентили, циркуляторы, шумоподавители, ограничители мощности, конвольверы, генераторы сигналов, удвоители частоты, генераторы хаотических СВЧ-сигналов [2-9] и др. Чаще всего как в фундаментальных, так и в прикладных исследованиях благодаря рекордно низким СВЧ магнитным потерям применяются пленки железо-иттриевого граната (ЖИГ).
Одним из направлений создания магнитных материалов с заранее заданными дисперсионными свойствами является формирование магнитных периодических структур. Сравнительно недавно такие периодические структуры получили также название “магнонных кристаллов” (МК) по
7
аналогии с фотонными кристаллами [10-13]. (В данной работе термины “магнонный кристалл” и “периодическая магнитная структура” будут использоваться как синонимы.)
Характерной чертой магнонных кристаллов вследствие их пространственной периодичности является наличие запрещенных зон в спектре спиновых волн. Такие кристаллы относятся к одному из перспективных классов так называемых метаматериалов [14, 15]. Обладая свойствами, сходными со свойствами фотонных кристаллов, магнонные кристаллы имеют ряд отличий. Благодаря этим отличиям они представляют интерес с точки зрения изучения линейных и нелинейных колебаний и волн, а также применения в технике СВЧ. Во-первых, длина спиновых волн, распространяющихся в магнонном кристалле, варьируется от нескольких миллиметров до нескольких сотен микрон. Во-вторых, закон дисперсии волн и, как следствие, передаточная характеристика магнонных кристаллов зависят от внешнего магнитного поля и могут управляться этим полем. В-третьих, фазовая и групповая скорости спиновых волн также зависят от размеров образца и приложенного внешнего поля и могут изменяться в широких пределах. В-четвертых, благодаря относительно небольшим размерам магнонные кристаллы могут быть использованы при создании интегральных устройств.
За счет уникальных свойств магнонных кристаллов на их основе могут быть созданы полосно-пропускаюшие и полосно-заграждающие фильтры СВЧ [16, 17], высокочувствительные датчики измерения магнитного поля [18], устройства модуляции светового потока [19], устройства хранения СВЧ-сигнала [20], шумоподавители и подавители сильных сигналов [Д2] и т. д.
Таким образом, интерес к магнонным кристаллам обусловлен тем, что, с одной стороны, они являются удобной модельной средой для изучения линейных и нелинейных волновых эффектов, способов генерации и преобразования сигнала, а с другой стороны - возможностью создания на их основе СВЧ функциональных приборов новою поколения.
8
Следует подчеркнуть, что несмотря на разнообразие существующих подходов к описанию линейных свойств магнонных кристаллов [21-27], дисперсионные характеристики (спектры) спиновых волн в магнонных кристаллах до настоящего момента подробно изучались только теоретически и только для случая бесконечных (неограниченных в направлении распространения волны) периодических магнитных структур. Исследования дисперсионных характеристик магнонных кристаллов конечной длины, описанные в литературе, носят крайне фрагментарный характер. В то же время пространственная ограниченность магнонного кристалла сильно влияет не только на его линейные, но и на нелинейные свойства [28]. В связи с этим встает вопрос изучения спектра спиновых волн в реальных магнонных кристаллах конечной длины с учетом магнитной диссипации.
Помимо исследования линейных свойств магнонных кристаллов внимание исследователей обращалось и к исследованию их нелинейных свойств, в частности, к исследованию солитонных, трехволновых и четырехволновых явлений. Однако количество работ, посвященных исследованию нелинейных свойств МК, относительно невелико. Среди них можно отметить работы, посвященные исследованию “щелевых” солитонов в МК [29-33] и процессов трехволнового распада спиновых волн [27].
Целью диссертационной работы является исследование дисперсионных и нелинейных свойств магнонных кристаллов конечной длины, полученных путем периодической “модуляции” поверхности пленки ЖИГ.
В соответствии с поставленной целью основными задачами диссертационного исследования являются:
1. Анализ влияния длины одномерного магнонного кристалла на спектр спиновых волн в магнонном кристалле.
2. Анализ влияния магнитной диссипации на спектр спиновых волн в магнонном кристалле.
3. Исследование процессов четырехмагнонного распада спиновых волн в пространственно ограниченных однородных пленках ЖИГ.
9
4. Исследование влияния процессов четырехмагнонного распада спиновых волн на СВЧ передаточную характеристику одномерного магнонного кристалла.
5. Исследование процессов собственной модуляционной неустойчивости спиновых волн в магнонных кристаллах.
6. Исследование процессов возбуждения, формирования и распространения “щелевых” солитонов огибающей спиновых волн в магнонных кристаллах.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Впервые проведен детальный анализ влияния длины магнитной периодической структуры и параметра магнитной диссипации на спектр спиновых волн.
2. Впервые экспериментально продемонстрировано, что в однородных пленках ЖИГ в случае, когда трехмагнонные процессы распада спиновых волн запрещены законами сохранения частоты и волнового вектора, эффект нелинейного сдвига частоты спин-волновых колебаний является беспороговым, а эффект нелинейного затухания спиновых волн - пороговым, причем его появление ведет к ограничению величины нелинейного сдвига частоты СВ.
3. Продемонстрировано, что увеличение мощности входного СВЧ-сигнала ведет к возникновению в магнонных кристаллах двух нелинейных процессов: нелинейного сдвига волнового числа и нелинейного затухания СВ. Эго приводит к тому, что в случае касательного намагничивания магнонного кристалла его передаточная характеристика сдвигается вниз по частоте, вносимые потери становятся больше, а полосы за1раждения “замазываются”.
4. Впервые экспериментально наблюдалось возникновение собственной модуляционной неустойчивости спиновых волн в магнонных кристаллах. Указанное явление существовало только в узких частотных областях, расположенных вблизи полос заграждения одномерного магнонного кристалла.
5. Впервые экспериментально наблюдалось возбуждение “щелевых” солитонов огибающей спиновых волн в магнонных кристаллах как путем импульсного, так и монохроматического возбуждения.
10
Новые научные результаты, полученные в ходе выполнения работы, позволили сформулировать научные положения, выносимые на защиту:
1. Дисперсионные характеристики спиновых волн вблизи частот брэгговских резонансов в магнонных кристаллах конечных размеров определяются длиной магнонного кристалла и величиной параметра магнитной диссипации.
2. Частотное положение, ширина и относительная глубина полос заграждения спектра спиновых волн магнонного кристалла конечной длины определяются амплитудой и диссипацией возбуждаемых спиновых волн.
3. В зонах сильной дисперсии магнонных кристаллов на частотах, расположенных вблизи брэгговских резонансов, возможно возбуждение собственной модуляционной неустойчивости спиновых волн.
4. Наличие зон сильной дисперсии спиновых волн на частотах, расположенных вблизи брэгговских резонансов, позволяет возбуждать “щелевые” солитоны огибающей спиновых волн как методами импульсного, гак и монохроматического возбуждения.
Практическая ценность диссертационной работы состоит в том, что в процессе ее выполнения:
1. Экспериментально подтверждено, что способ описания СВЧ параметров магнонных кристаллов при помощи аппарата волновых матриц передачи пригоден для инженерных расчетов СВЧ характеристик передачи магнонных кристаллов и приборов на их основе.
2. Проведен анализ влияния размеров магнонного кристалла и параметра магнитной диссипации на спектр одномерных магнонных кристаллов, полученных путем химического травления поверхности пленки ЖИГ. Это дает новую информацию, необходимую при исследовании и прикладном использовании линейных и нелинейных спин-волновых явлений в магнонных кристаллах.
3. Показано, что эффект нелинейного сдвига частоты в том случае, когда процессы трехмагнонного распада спиновых волн невозможны, является беспороговым, а эффект нелинейного затухания - пороговым, причем его
11
появление ведет к ограничению величины нелинейного сдвига частоты резонатора. Эти результаты дают новую информацию, необходимую для создания устройств обработки сигнала на основе пленочных ферромагнетиков.
4. Предложен способ аналоговой обработки СВЧ-сигнала, основанный на явлении нелинейного сдвига частоты спиновых волн в магнонном кристалле. Этот способ положен в основу многофункционального устройства, которое может выполнять несколько функций, а именно может работать как “усилитель” отношения сигнал/шум, как ограничитель мощности и как подавитель сильных СВЧ-сигналов.
5. Создай пакет программ, позволяющий рассчитывать эволюцию амплитуды и фазы интенсивных спиновых волн с учетом их нелинейного затухания. Этот пакет позволяет рассчитывать рабочие характеристики спин-волновых СВЧ-приборов, принцип действия которых основан на использовании спиновых волн, бегущих в магнонных кристаллах.
Достоверность результатов подтверждается хорошим согласованием результатов численных расчетов и экспериментальных данных.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на ряде конференций и семинаров различного уровня, в частности, на Международной конференции по магнитным материалам “ICFM” (Украина, Крым, 2008 и 2011 гг.); на “Семинаре по физике и астрономии для молодых ученых Санкт-Петербурга и Северо-Запада” (Санкт-Петербург, Институт им. А.Ф. Йоффе, 2007 и 2011 гг.); на Международной научно-технической конференции “INTERMATIC-2007” (Москва, МИРЭА, 2007 г.); на Всероссийской конференции и научной школе для молодых ученых “Новые материалы и нанотехнологии в технике СВЧ” (Санкт-Петербург, СПбГЭТУ “ЛЭТИ”, 2010 г.); на Международном конгрессе по передовым электромагнитным материалам в оптике и СВЧ “METAMATERIALS’20H” (Испания, Барселона, 2011 г.); на Международной конференции по эффектам, наблюдаемым в ферромагнитных средах “Spin waves” (Санкт-Петербург, Институт им. А.Ф. Йоффе, 2011 г.); на Международной конференции по