Влияние параметрических спиновых волн на дисперсию и затухание магнитостатических волн в пленках железоиттриевого граната

Содержание
Основные обозначения и сокращения...............•............................ 5
Введение..................................................................... 6
Глава 1 ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ................................ 15
1.1 Характеристика линейных МСВ в пленках ЖИГ......................... 15
1.2 Обзор работ по экспериментальному исследованию процессов параметрической неустойчивости МСВ..................................... 19
1.2.1 Параметрические процессы при распространении ПМСВ в пленках ЖИГ.............................................................. 19
1.2.2 Влияние сигнала большой мощности на распространение МСВ
в касательно намагниченных пленках ЖИГ...................... 30
1.2.3 Параметрические процессы при распространении ПОМСВ в пленках ЖИГ.......................................................... 38
1.2.4 Автоколебания и хаос в системе параметрически возбужденных спиновых волн........................................................ 40
Глава 2 Влияние параметрических спиновых волн на дисперсию и затухание
МСВ в пленках ЖИГ.................................................. 5С
2.1 Методы определения порога неустойчивости, дисперсии, затухания и "длины нелинейности" МСВ в ферромагнитных плёнках . . 56
2.1.1 Анализ экспериментальных методов исследования нелинейных МСВ.................................................................. 56
2.1.2 Адаптация методов "двух накачек" и "подвижного преобразователя" для исследования нелинейных свойств МСВ в пленках ЖИГ.................................................................. 58
2.1.2.1 Определение порога неустойчивости МСВ ....................... 59
2.1.2.2 Определение "длины нелинейности" МСВ ........................ 59
2.1.2.3 Определение дисперсии и затухании нелинейных МСВ............. 60
2.2 Экспериментальная установка и методика эксперимента............... 61
2.3 Параметрические процессы при распространении поверхностных магнитостатических воли.............................................. 62
2.3.1 Стимуляция трехмагионного распада ПМСВ дополнительной локальной накачкой..................................................... 62
2.3.2 Четырехмагиоиный распад ПМСВ в пленках ЖИГ...................... 65
-3-
2.3.3 Влияние параметрически возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание ПМСВ в пленках ЖИГ................................... 76
2.3.4 Влияние зондирующей ПМСВ на распределение Г1СВ в (ш, к) прост1)анст,ве........................................................... 84
2.3.5 Влияние ПСВ на прохождение слабого сигнала через шумопода-витель на основе пленки ЖИГ............................................. 88
2.3.6 Измерение порога неустойчивости ПМСВ в пленках Оа,Незамещенного ЖИГ......................................................... 93
2.3.7 Влияние магнитоупругого взаимодействия на порог ЗМ распада ПМСВ.................................................................... 96
2.3.8 Неустойчивость МУВ, стимулированная дополнительной накачкой 99
2.4 Параметрическая неустойчивость объемных магнитостатических
волн в пленках ЖИГ ...............................................103
2.4.1 Параметрические процессы при распространении обратных объемных магнитостатических воли...........................................104
2.4.1.1 Измерение порога ЗМ неустойчивости ООМСВ ....................104
2.4.1.2 Особенности параметрической неустойчивости ООМСВ на частотах вблизи частоты удвоенного "дна" спектра спиновых волн 108
2.4.1.3 Дисперсия и затухание обратных объемных магнитостатиче-ских волн при параметрическом возбуждении спиновых волн в (1>срритовых пленках....................................................113
2.4.1.4 Особенности смешения сигналов ООМСВ в условиях ЗМ распадов ..................................................................117
2.4.2 Параметрическая неустойчивость прямых объемных магнитоста-
тических волн....................................................119
2.5 Выводы............................................................124
Глава 3 Влияние параметрических спиновых волн на спектр сигнала МСВ в
ферритовых пленках..................................................126
3.1 Исследование механизма образования МТ-сателлитов в спектре ПМСВ при трехмагнонном распаде..........................................127
3.2 Низкочастотная (10... 1000 кГц) автомодуляция МСВ при параметрической неустойчивости 13 ферритовых пленках...........................131
3.3 Переходы к хаосу при четырехмагнониом распаде бегущих магнитостатических волн в пленках ЖИГ........................................139
3.4 Автомодуляция и стохастизация сигнала ООМСВ в пленках ЖИГ 142
3.5 "Кинетическая неустойчивость" (конденсация Ьозе-Эйнштсйна ) параметрических спиновых волн в пленках ЖИГ в условиях возбуждения волновой накачкой..............................................149
3.5.1 Кинетическая неустойчивость ПСВ при параметрической неустойчивости МСВ, распространяющихся в пленках ЖИГ . . . 152
3.5.2 Распространение импульсов ПМСВ в условиях ЗМ распадов и развития кинетической неустойчивости..............................156
3.5 Выводы.......................................................160
Глава 4 Возможные применения исследованных явлений................................161
4.1 Способ измерения полей кристаллографической анизотропии . . . 161
1.2 Бездисперсионная линия задержки на магнитостатических волнах 162
4.3 Способ измерения коэффициента дисперсии МСВ..................166
4.4 Перестраиваемый генератор шума...............................174
4.5 Выводы ................................................................179
Заключение.................................................................180
Список использованных источников..................................................186
-5-
Основные сокращения и обозначения
МСВ - магшггостатические волны
ГІМС15 - поверхностиые магнитостатические волны
ПОМСВ - прямые объемные магнитостатическис волны
ООМСВ - обратные объемные магиитостатичоские волны
ЖИГ - железоиттриевый гранат
ФМР - (ферромагнитный резонанс
АЧХ - амплитудночастотная характеристика
ФЧХ - фазочастотная характеристика
СВМ - сшш-волновая мода
УВ - упругая волна
МУВ - магиитоупругая волна
ЗМ - трехмагпонные процессы
4M - четырехмагнонныо п|юцессы
ГІСВ - параметрические спиновые волны
ЛЗ - липня задержки
Ga, Sc :ЖИГ - Ga, 5с-замещенный ЖИГ
А Я - полуширина линии ФМР >
Lni - полная длина нелинейности
47гЛ'/0 - намагниченность насыщения
Я, - константа поверхностной анизотропии
Нп - поле кристаллографической анизотропии
Нв - поле ростовой анизотропии
Н0 - внешнее поле подмагничивания
Hfh - пороговая СВЧ мощность
-пороговая мощность ЗМ процессов РДЛ/ -пороговая мощность 4M процессов
С - уровень надкритичности, или превышение входной мощности над пороговой мощностью пслинсиых процессов выраженное в дБ - частота релаксации спиновых волн /Jij- тензор высокочастотной магнитной проницаемости Xij - тензор высокочастотной магнитной восприимчивости d - толщина ферритовой плёнки Vg - групповая скорость
Введение
Магшггостатические волны, распространяющиеся в магнитоупорядочепных диэлектриках, интенсивно исследуются как теоретически, так и экспериментально примерно с середины 70-х годов XX века. Интерес к МСВ определяется, прежде всего, перспективой их использования в системах радиосвязи и телекоммуникаций. К настоящему времени разработан ряд уникальных и, в ряде случаев не имеющих аналогов, линейных и нелинейных устройств на МСВ |1-17|. В качестве примера можно назвать дисперсионные [Г>,6| н бездисперсиониые [5,7| перестраиваемые линии задержки, полосовые фильтры [1, 5|, резонаторы [5, 9|, шумоподавители [10|, ограничители мощности [11]. линии задержки на спиновом эхе |12|, нелинейные интерферометры |13|, феррит-полупроводииковые смесители, конволькеры и детекторы [ 14-171. Такие устройства допускают электрическую перестройку, имеют малый уровень собственных шумов и совместимы с планарной технологией.
С другой стороны, уникальная совокупность свойств МСВ, приводящая к большому разнообразию физических эффектов, наблюдающихся при возбуждении, распространении и взаимодействии волн, обуславливает интерес к МСВ с «фундаментальной точки зрения.
Первые эксперименты по наблюдению МСВ были выполнены с объемными образцами (пластинами, дисками и стержнями) железоиттриевого граната (ЖИГ) в работах [18-20). Однако, широкие исследования свойств МСВ начались после освоения технологии жидкофазной эпитаксии высококачественных пленок ЖИГ на подложках из галлий-гадолиниевого граната (ГГГ) |21|. В таких пленках МСВ легко возбуждаются и распространяются на расстояния в десятки и сотни длин волн.
Уже первые эксперименты с МСВ выявили, что распространение МСВ становится существенно нелинейным при легко достижимых в эксперименте уровнях падающей СВЧ мощности (<1 Вт) [22-25].
Принято выделять две группы нелинейных процессов, проявляющихся при распространении спиновых воли в ферромагнетиках |26-29|. Первая группа объединяет эффекты, порожденные развитием параметрической неустойчивости МСВ, которая приводит к возбуждению неравновесных магионов преимущественно в коротковолновых участках спектра спиновых воли |2(5-28|. Вторая группа включает в себя такие явления, как образование солитонов огибающей, самомодуляция волн и самофокусировка волновых пучков, являющиеся следствием развития модуляционной неустойчивости
[29І.
Отметим, что модуляционная неустойчивость спиновых волн до появления пленок ЖИГ практически не исследовалась, хотя и обсуждалась возможность ее развития для коротковолновой части спектра спиновых волн объемных образцов (сфер, цилиндров, дисков) [26,27|. В пленках ЖИГ активные экспериментальные исследования модуляци-
-7-
ошюй неустойчивости МСВ ведутся с 1983 года. Самомодуляции, образование солито-нов огибающей и эффект!]! самоканалнрования МСВ в пленках ЖИГ были обнаружены и исследованы в целом ряде работ [29-44|. Значительные усилия были направлены на развитие теории модуляционной неустойчивости МСВ в ферромагнитных пленках [45-48], на исследование модуляционной неустойчивости магнитоупругих волн |49], а также МСВ в периодических структурах |50.51]. Были также рассмотрены условия возникновения модуляционной неустойчивости в присутствии двух сигналов [52,53]. Проведено численное исследование развития э<|х]>ектов модуляционной неустойчивости и образования солитонов огибающей МСВ [54].
Начало исследованиям параметрической неустойчивости спиновых воли, в отличие оч* модуляционной, было положено задолго до появления пленок ЖИГ, когда в экспериментах Бломбергеиа и Уанга [55] но исследованию ФМР в сферах ииксливого феррита было обнаружено, что с ростом амплитуды СВЧ поля к спад мнимой части восприимчивости х" происходит гораздо раньше, чем проекции Мх намагниченности М на направление внешнего постоянного поля Я0, причем спад У происходит при амплитуде переменного поля к существенно меньшей полуширины резонансной кривой ДЯ (к < 0.5ДЯ) и кроме того, возникают полосы дополнительного поглощения (дополнительный максимум х" ) 11 изменение Мв при постоянных магнитных нолях Я0, меньших резонансного для ФМР.
Объяснение этих особенностей дали Андерсон и Сул |56| на основе представлений о нестабильности некоторых групп спиновых волн, наступающей под воздействием однородной прецессии намагниченности на частота сигнала накачки мр. Вследствие нелинейности спиновой системы спиновые волны с равновесными (тепловыми) амплитудами, возбуждаемые за счет тепловых колебаний решетки, оказываются связанными с
однородной прецессией намагниченности М = Мо Г ш и получают от* нее энергию. Когда амплитуда однородной прецессии 1т1 достигает порогового значения пщ,, поступление энергии от однородной прецессии компенсирует потери тепловых спиновых волн и возникает их нестабильность - экспоненциальный рост амплитуды тех спиновых волн, частоты и волновые вектора которых удовлетворяют условию параметрического резонанса
п ■ = и\ + а?2» (ВЛ.а)
0-& + &, (ВЛ.Ь)
где п = 1,2 - порядок параметрического резонанса.
В реальных системах рост числа параметрических спиновых волн (ГЮВ) ограничивается другими нелинейными процессами. Теория параметрического возбуждения спиновых волн была создана Сулом [57]. Поскольку переменная намагниченность т, как и возбуждающее ее переменное поле к перпендикулярны постоянной намагниченности Мо, это явление получило название параметрического возбуждения спиновых воли при поперечной накачке.
Позднее Шлёманн показал возможность параметрического возбуждения спиновых поли иод воздействием переменного СІЗЧ гголя, ориентированного параллельно постоянному (/і||Л70||//о) [58,59]. Такой механизм обусловлен эллиптичностью прецессии намагниченности, за счет чего проекция иамагни• іенности на направление постоянного поля меняется (‘удвоенной частотой. Она. взаимодействует с продольным нолем накачки, имеющим ту же частоту, в результате чего происходит’ передача энергии спиновым волнам.
Существенным моментом в изучении процессов параметрического возбуждения СПИНОВЫХ волн полем однородной накачки явилось открытие редкоземельных ферритов гранатов [60,01] и синтез моиокрис'галлов ЖИГ [62]. Благодаря тому, что удалось получить монокристаллы ЖИГ с шириной линии ФМР А/У ~ 0.5...3 Э (63,64], появилась возможность исследовать динамику спиновой системы далеко за порогом параме трической неустойчивости. Это позволило наблюдать широкий спектр нелинейных эффектов [65-74], включая феномены, присущие хаотической динамике нелинейных диссипативных систем [75-78], большинство из которых удается описать с привлечением теории параметрической неустойчивости Сула, и Э-теории Захарова, Львова, Старобинца ]26,27, 57].
Отметим, что процессы параметрического возбуждения СВ в аптиферромагнетиках также активно исследуются [79-81].
В пленках ЖИГ процесс параметрического возбуждения спиновых воли порой существенно отличается от случая массивных образцов благодаря многомодовоеги спектра спиновых волн, сильной анизотропии формы и различному характеру накачки, которая может быть не только однородной [82-86], но также локалыю-одпородной |87,88|; локальной |89| и волновой [90-94].
Среди всех отмеченных способов возбуждения ПСВ волновая накачка представляет особый интерес. Во-первых, параметрические нестабильности определяют динамический диапазон линейных приборов на ІУІОІЗ, которая сама может рассматриваться как •волна накачки. Во-вторых, эффекты параметрического возбуждения спиновых волн бегущими МСВ могут быть использованы для создания нелинейных спин-нолновых устройств, в частности шумоподавителя [95,96 [. Кроме того, волновая накачка существенно отличается от других способов возбуждения, а именно, наличием волнового вектора у волны накачки кр и затуханием полны по мере распространения. Благодаря существованию кр 0 условия параметрического возбуждения ПСВ принимают вид
п - со7, = и)\ -+- ыо, (В.2.а)
ть - кт.р = ЇС\ -+- Ат2, (5.2.6)
где условие (В.2.Ь) отражает необходимость достижения пространственного синхронизма (условие сохранения квазиимпульса) волны накачки и ПСВ, что приводит в случае заданных направления и величины магнитного поля к ряду ограничений на область значений (шр,кр), в которых выполняются условия (В.2) [97,112]. А наличие
-9-
потерь МСВ приводит к тому, что мощность волны накачки Pv снижается по мере ее распространения и на некотором расстоянии х* = Lul от входа окажется меньше порога Рр1 параметрического возбуждения. Благодаря этому обстоятельству ПСВ в пленке будут существовать лишь на участке длиной L„i и плотность ПСВ п(х) по неравновесному участку пленки будет неоднородна. В экспериментах с волновой накачкой в виде днпольной МСВ используют, как правило, микрополосковыо антенны, способные принимать и возбуждать МСВ в широком диапазоне частот и волновых чисел. Благодаря этому появляется возможность исследовать процессы слияния ПСВ во вторичные МСВ с частотами, отличающимися на десятки и сотни мегагерц от частоты волны накачки [25, 91, 94], а также исследовать влияние ПСВ на распространение дополнительных МСВ с частотами, отличными от частоты накачки |92].
Отметим, что и ‘I ех случаях, когда магнитные параметры пленки ЖИГ, например ноле анизотропии, распределены по толщине пленки неоднородно, мнкрополоски могут быть использованы дли возбуждения ПСВ под действием короткой спиновой волны, преимущественно обменной природы, с волновым числом к„ яг 2 • 105 см"1. Такая обменная волна накачки бежит практически вдоль нормали г к пленки. При этом условия параметрической неустойчивости (В.2) достигаются на некотором расстоянии z* от поверхности, где величина внутреннего магнитного поля обеспечивает выполнение условия (В.2.Ь) |98|. Понятно, что распределение ПСВ по толщине пленки n(z) в данном случае также неоднородно, но уже не но причине затухания волны накачки.
Для полноты следует отметить, что в качестве волны накачки в пленках ЖИГ могут выступать упругие волны, в частности поверхностные акустические волны (ПАВ) Рэлея [99|.
Теоретически задача параметрического возбуждения спиновых волн бегущими ди-нольнмми МСВ в ферритовых пленочных волноводах изучалась в работах [100-107]. При этом основное внимание уделялось расчету порогов трехмагнонной параметрической неустойчивости [100-107]. Пороги четырехмагпонпой параметрической неустойчивости дипольиых МСВ исследовались в работах [106, 107). Беспороговые трехволновые процессы слияния МСВ анализировались в работах 1108,109]. В работах |110,111] была предложена модель возбуждения МСВ в условиях трехмагнонных распадов.
Большинство экспериментальных исследований параметрической неустойчивости СВ п пленках ЖИГ было выполнено для случая поверхностных |24,25,90-92,94-97,112,113, 117-121, 127-129] п прямых объемных [114-116] магнитостатических волн. При этом для поверхностных магнитостатических воли (ПМСВ) были обнаружены как трехмагнон-ные (ЗМ) [ 24,25], так и четырехмагноиные (4М) [92] параметрические неустойчивости. Для прямых объемных магнитостатических волн (ПОМСВ) были обнаружены параметрические неустойчивости, вызванные 4М процессами [114-116]. В работе [25] было обнаружено, что при мощности ПМСВ, превышающей пороговую для ЗМ распада на несколько дециБелл, в спектре сигнала, прошедшего пленку, появляются сателлиты, отстоящие от несущей частоты на 10 -г 100 МГц. Механизм образования таких сателт
-10-
литов был преддожен в работе |91). Исследованию этих сателлитов были посвящены и другие работы [94). Процессы параметрического возбуждения спиновых воли импульсными сигналами ПМСВ впервые были исследованы в пластинах ЖИГ в условиях ЗМ распада в работах [ 22, 117|. В пленках ЖИГ основное внимание было уделено прохождению импульсных сигналов ПМСВ при высоких уровнях иадкритичности, как в условиях ЗМ |118-120|, так и 4М [120) параметрической неустойчивости. В работе [121) исследовались особенности ЗМ распадов МСВ в пленках ЖИГ в области низких нолей иодмагничинапия, а также обусловленные влиянием полей кристаллографической и ростовой анизотропии пленок ЖИГ. Влиянию эффектов резонансного взаимодействия спиновых и упругих волн тонкопленочной структуры на развитие трехволновых и че-тырехволповых параметрических неустойчивостей были посвящены работы [122-120).
При этом, ряд задач к моменту начала работы над диссертацией оставался не решенным. В частности, не были обнаружены и исследованы процессы трехмагнонного распада обратных объемных и прямых объемных магнитостатичоских волн. Не изучено поведение системы параметрических спиновых воли при высоких уровнях над-критичности накачки. Для нелинейных МСВ в пленках ЖИГ не были обнаружены и исследованы сценарии перехода к хаосу, характерные для нелинейных динамических диссипативных систем.
Еще одной недостаточно исследованной задачей является изучение влияния интенсивной волны па распространение слабого (допорогового уровня) сигнала [88, 92, .127, 128]. Такая задача изучается в связи с проблемой обработки сложных сигналов в нелинейных устройствах на МСВ. например, в шумоподавителе [129) и ограничителе мощности [130|, а также в связи с разработкой нелинейных СВЧ управляемых устройств, когда в качестве управляющего параметра СВЧ сигнала используется дополнительная накачка СВЧ (131-134). При этом степень влияния накачки на условия распространения слабого сигнала можно характеризовать изменениями в его дисперсии и затухании, в связи с чем актуальна разработка экспериментальных методов их измерения. С другой стороны, представляет интерес обнаружить "обратный" эффект - влияние слабой зондирующей волны на распределение ПСВ за порогом их возбуждения.
Целыо настоящей работы являлось экспериментальное обнаружение и выявление особенностей:
- влияния параметрически возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание магнитостатических волн в пленках ЖИГ;
- влияния зондирующего сигнала магнитостатических волн па распределение параметрических спиновых воли в пленке;
- процессов хаотизации сигнала интенсивных магнитостатических воли при распространении в пленках ЖИГ;
- влияния процессов параметрической неустойчивости на распространение импульсов магнитостатичоских воли в пленках ЖИГ.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-11-
- измерены вклады ПСВ в дисперсию и затухание МСВ в касательно намагниченных пленках ЖИГ;
- обнаружено влияние слабого (линейного) сигнала МСВ на распределение ПСВ, созданных дополнительной волной накачки;
- установлено соответствие между частотами сателлитов п спектре ПМСВ, распространяющейся в условиях трехмагнонного распада, и частотами полос поглощения слабого зондирующего сигнала ПМСВ;
- обнаружена кинетическая неустойчивость МСВ. вызванная трехмагионными распадами при распространении в пленках ЖИГ;
- при распространении МСВ в пленках ЖИГ в условиях четырехмагионного взаимодействия, обнаружены сценарии хаотизации сигнала МСВ через разрушение двухчастотного квазипериодивеского движении и последовательность бифуркаций удвоения периода;
- экспериментально исследованы зависимости гшковой амплитуды и ширины линейного импульса ПМСВ, прошедшего через плойку ЖИГ, от длительности входного прямоугольного импульса СВЧ;
- обнаружена связь условий наблюдения эхо-импульса, формирующегося за срезом импульса ПМСВ в условиях трехмагнонного распада, с положением приемной антенны относительно неравновесного участка пленки ЖИГ.
Достоверность полученных экспериментальных результатов определяется их воспроизводимостью и соответствием известным теоретическим результатам, а также со-гласуемостыо с известными экспериментальными данными.
Положения, выносимые на защиту.
1. Для поверхностных и обратных объемных магнитостатических воли в пленках ЖИГ в изменение дисперсии и затухания МСВ па участке пленки, подверженном действию СВЧ накачки в виде дополнительной МСВ, основной вклад вносят процессы трехмагнонного и четырехмагионного взаимодейст вия с участием параметрических спиновых волн, возбуждаемых накачкой. При одинаковых уровнях относительного превышения порога пеустойчивисти накачки изменение дисперсии и затухания поверхностной МСВ в условиях трехмагнонного взаимодействия оказывается на порядок больше, чем при четырехмагнонном взаимодействии.
2. В условиях трехмагнонной неустойчивости накачки и зондирующей волны в пленке ЖИГ, одновременно с изменением дисперсии и затухания зондирующей волны, может существенно изменяться распределение параметрических спиновых волн в фазовом (о>, к) пространстве.
3. При уровнях надкритичности накачки 1... 10 дБ в спектре сигнала МСВ, распространяющейся в касательно намагниченной пленке ЖИГ в условиях трехмагнонных распадов, обнаружено рождение сателлитов с частотами 10... 1000 кГц, которые е дальнейшим ростом надкритичности формируют шумовой спектр. Показано, что частота сателлитов не связана с геометрическими размерами пленки или протяженностью
неравновесного участка пленки, созданного действием волны накачки.
4. При мощности МСВ выше порога трехмагноипой неустойчивости па 22...25 дВ в пленке ЖИГ происходит рождение шумового сигнала, причем в условиях трехмаг-иониого распада это обусловлено началом "кинетической" неустойчивости в системе параметрических спиновых воли, а в условиях четырехмагионного распада - развитием динамического хаоса через разрушение двухчастотного квазипериодичсского движения и последовательность бифуркаций удвоения периода.
5. Ширина импульса МСВ в линейном режиме распространения в пленке ЖИГ достигает 50...60 % от длительности входного прямоугольного импульса СВЧ на расстоянии, близком к половине дисперсионной длины импульса.
6. После прохождения через пленку ЖИГ импульсов поверхностной МСВ мощностью на 15...25 дБ выше порога трехмагнонного распада, в пленке формируется эхо-импульс, вызнанный слиянием параметрических спиновых волн и "отключением" механизма нелинейного затухания в пленке. Условия наблюдения эхо-импульса определяются положением приемного преобразователя относительно неравновесного участка пленки.
Практическая значимость работы определяется следующим
1) разработана методика измерения длины нелинейности МСВ п оценки вклада ПСВ в дисперсию и затухание МСВ па основе комбинации метода двух локальных накачек и метода подвижного зонда в макете ЛЗ с тремя преобразователями;
2) предложен способ увеличения чувствительности метода измерения полей кристаллографической кубической анизотропии ферритовых пленок, основанный на измерении ориентационных зависимостей положения шумового сигнала в спектре МСВ при высоких уровнях надкритичности;
15) предложен метод измерения коэффициента дисперсии МСВ и пленках ЖИГ, основанный на достижении минимального отношения длительностей выходного импульса МСВ и входного импульса СВЧ на длине пробега МСВ, близкой к половине дисперсионной длины импульса;
4) предложен метод построения бездиспереиопных ЛЗ на МСВ на основе каскада из двух анизотропных пленок;
5) изучены особенности прохождения слабого сигнала через макет шумоподавите-ля в присутствии сигнала накачки, вызванные невырожденными распадами сигнала накачки.
Личный вклад соискателя. Все приводимые в диссертации результаты экспериментов получены лично соискателем. Интерпретация результатов экспериментов и их сопоставление с теорией проводились в соавторстве.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав и заключения и содержит 202 страницы. В их числе: 185 страниц основного текста, включая 117 иллюстраций и 1 таблицу; список литературы на 16 страницах, включающий 275 наименований.
-13-
Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулированы ее цели, научная новизна и основные положения, выносимые на защиту.
В 1-ой главе представлен обзор литературы по изучаемой проблеме.
В первом разделе главы дается общее понятие МСВ как объекта исследования. Обращается внимание на богатое разнообразие дисперсионных характеристик МСВ, обсуждаются основные типы дипольных МСВ в пленках ферромагнетиков и приводятся выражения для их дисперсионных соотношений. Второй раздел посвящен обзору литературы по экспериментальным исследованиям процессов параметрической неустойчивости при распространении МСВ в пленках ЖИГ. В разделе 1.2.1 подробно обсуждены работы по исследованию параметрических процессов при распространении поверхностных МСВ в пленках ЖИГ. Обсуждаются результаты исследований, проведенных при возбуждении 11МСВ как импульсами СВЧ, так и монохроматическим сигналом. Рассмотрены эффекты образования сателлитов в спектре сигнала ПМСВ, прошедшего пленку, и обсуждаются механизмы их образования. Приводятся результаты измерений порогов параметрической неустойчивости ПМСВ и их зависимости от волнового числа и частоты ПМСВ. Отмечаются результаты исследования параметрических процессов при распространении ГІМСВ в пленках ЖИГ в низких нолях подмагничивания и в пленках ЖИГ с доменной структурой, при импульсном возбуждении МСВ. В разделе 1.2.2 обсуждаются результаты экспериментов по исследованию сигнала большой мощности на распространение МСВ в касательно намагниченных пленках ЖИГ. Па- І рамстрические процессы при распространении ПОМСВ в пленках ЖИГ обсуждаются в разделе 1.2.3. Раздел 1.2.4 посвящен изложению результатов экспериментов по исследованию автоколебаний и хаотической динамики намагниченности в ЖИГ на СВЧ.
Главы 2-4 содержат результаты экспериментальных исследований, каждая глава заканчивается выводами.
Глава 2 посвящена, в основном, обсуждению результатов экспериментального исследования влияния процессов параметрической неустойчивости на дисперсию и затухание МСВ в пленках ЖИГ. В разделе 2.1 обсуждаются существующие экспериментальные методы исследования нелинейных МСВ. Отмечено, что такие методы но позволяют определить протяженность неравновесного участка пленки (длину нелинейности), дисперсию и затухание нелинейной МСВ. В разделе 2.1.2 показано, что сочетание методов "двух накачек" и "подвижного преобразователя" позволяет измерить как длину нелинейности, так и дисперсию и затухание нелинейных МСВ. В подразделах 2.1.2.1, 2.1.2.2 и 2.1.2.3 излагаются, соответственно, подходы к определению указанным способом порога неустойчивости, "длины нелинейности" , дисперсии и затухания нелинейных МСВ. В разделе 2.2 описаны экспериментальная установка и методика эксперимента, совместно использующего методы "двух накачек" и "подвижного преобразователя" . Изучению процессов параметрической неустойчивости посвящены разделы
2.3 и 2.4, 2.3 - при распространении поверхностных магнитостатических волн, 2.4 - при распространении объемных магнитостатических воли. В разделе 2.5 изложены выводы
-14-
выводы 2-ой главы.
В главе 3 приведены результаты по исследованию влияния спиновых воли, порождаемых процессами первого и второго порядков, на спектры выходного сигнала МСВ в пленках ЖИГ. В разделе 3.1 исследуется механизм образования МТ-сателлитов в спектре сигнала ИМСВ при ЗМ-распаде. Раздел 3.2 посвящен результатам исследования низкочастотной (10...1000 кГц) автомодуляции МСВ в пленках ЖИГ. Раздел
3.3 посвящен экспериментам по наблюдению стохастизации и переходов к хаосу сигналов при 4М распаде бегущих ПОМСВ в косоиамагиичеиных пленках ЖИГ. В разделе
3.4 приведены результаты исследования влияния 11СВ на спектр выходного сигнала ООМСВ при ЗМ-распадах. Раздел 3.5 описывает результаты исследований "кинетической неустойчивости" вторичных ПСИ или конденсации Бозе-Эйнштсйиа в условиях ЗМ-распадов бегущих МСВ. В раздело З.б приводятся выводы главы 3.
В 4-ой главе рассмотрены возможные практические применения. В разделе 4.1 предложен способ измерения полей кристаллографической анизотропии. В разделе 4.2 описанабсздиспсрсиониая ЛЗ на основе каскада из двух анизотропных пленок в единой магнитной системе. Способ определения коэффициента дисперсии МСВ излагается в разделе 4.3. Раздел 4.4 посвящен описанию макета перестраиваемого генератора шума на основе широкополосного усилителя СВЧ и ЛЗ с пленкой ЖИГ в цепи обратной связи. Выводы главы 4 приводятся в разделе 4.0.
В Заключении приведены основные выводы диссертационной работы. Приведен список публикаций, на основании которых написана диссертация.
-15-
Глава 1
ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ПРОБЛЕМЕ
1.1 Характеристика линейных МСВ в пленках ЖИГ
Магнитостатические спиновые волны могут распространяться в веществах, называемых магнетиками, атомы которых имеют незаполненные электронами внутренние оболочки, в результате чего появляются иескомиенеированные магнитные моменты ионов, входящих в состав магнетиков.
Среди магнетиков выделяют три основных класса материалов: ферромагнетики, антиферромагнетики и ферриты. Ферромагнетики в отсутствии внешнего магнитного поля имеют средний магнитный момент единицы объема М (намагниченность) отличный от нуля. Антиферромагнетики - это вещества, в которых упорядочивание элементарных магнитных моментов таково, что в отсутствии внешнего магнитного поля магнитный момент элементарной ячейки равен нулю (М = 0). Ферримагнетики (или ферриты) отличаются от ферромагнетиков наличием в каждой элементарной единице объема нескольких неэквивалентных магнитных ионов. К ферримагнетикам относится, в частности, железо-иттриевый гранат, широко использующийся в магнитоэлектрони-ке. На частотах ниже 1000 ГГц ЖИГ ведет себя как обыкновенный ферромагнетик. Тонкие пленки ЖИГ хорошего качества и с рекордно низким показателем затухания по сравнению е другими ферромагнитными материалами появились в начале 70-ых годов |21|. С этого времени начались наиболее активные исследования линейных и нелинейных бегущих МСВ и накоплен богатый экспериментальный материал.
Направление вектора намагниченности во всем образце ферромагнетика может быть однородным, либо характеризоваться доменной структурой. Если поместить ферромагнетик в достаточно сильное внешнее постоянное магнитное ноле Яо, то в результате переориентации М установится насыщенное состояние ферромагнетика, при котором для любой единицы объема ферромагнетика вектор М параллелен Яс//, где ІЇС// является результатом векторного сложения внешнего поля Я0 и внутреннего поля образца, включающего:
обменное поле Яс, соответствующее "обменному'1 взаимодействию близко расположенных ионов, имеющему квантовую природу;
диполыюе поле Н,і, соответствующее далыюдействугащему дипольному взаимодействию магнитных моментов и часто называемому нолем размагничивания, обусловленным формой образца;
магнитоупругое поле, обусловленное магиитострикцией образца и приводящее к связи
спиновых и упругих колебаний образца Яшг.
поле кристаллографической и ростовой анизотропии На.
-16-
Длина вектора М - намагниченности ферромагнетиков определяется природой магнитных ионов, обозначается М0, называется намагниченностью насыщения и является характеристикой материала, зависящей только от температуры.
Спиновая волна представляет собой передачу от одной точки магнетика к другой возмущения, заключающегося в отклонении вектора М от направления, характерного для равновесного состояния. В том случае, когда возмущение в какой-то момент времени приводит к отклонению вектора М от равновесного положения одновременно во всех точках среды, возбуждаются колебания вектора намагниченности Л/, представляющие собой однородную прецессию вокруг направления магнитного ноля Н,.// с частотой о;// = 7е ■ //с//- Здесь 7С = 2тг • 2.81 МГц/Э - гиромагнитное отношение.
В бегущей волне энергия переносится от точки к тючке. Перенос может обеспечиваться за счет дипольного взаимодействия магнитных моментов и за счет обменною взаимодействия. Поскольку обменное взаимодействие является короткодействующим, то влияет только на распространение коротких волн с волновыми числами к > 105 см”1. Для длинных воли с к ~ 10 Ч- 1()3 см“1 доминирующим при переносе энергии является диполыюс взаимодействие. Такие волны называют магнитодипольными спиновыми волнами. По-друюму их еще называют магнитостатическими волнами (МСВ).
Важнейшей характеристикой воли, как известно, является их закон дисперсии С(и,к) — 0. Вид дисперсии определяется свойствами волноведущей среды (для <J>cppo-магнитиой пленки - это толщина, намагниченность насыщения, состояние поверхности, расположение кристаллографических осей, величина внешнего магнитною поля и его ориентация относительно нормали к поверхности пленки и направлению волнового вектора к).
Для расчета законов дисперсии магнитодипольных спиновых волн используют уравнения магнитостатики и уравнение Ландау - Лифшица
rotH = 0, div(H -f 4тгА/) = 0, = —7е[М • Я]. (1.1)
(Л
Здесь М — Л/о + 7Т1, Н = Не + Л, h - высокочастотная составляющая внешнего магнитного поля, тп - высокочастотная составляющая вектора намагниченности.
Решение системы (1.1) в линейном приближении с магиитостатическнмй граничными условиями hz 4- 4тгт- = const, где hx<y - касательные, а т- - нормальные к поверхности ферромагнитной пленки высокочастотные компоненты магнитного поля и намагниченности, при каждой конкретной геометрии задачи (определяемой направлением внешнего магнитного поля Но по отношению к нормали пленки и направлением волнового вектора МСВ к относительно проекции поля Н0 на плоскость пленки, см., например, рис. 1.1) позволяет найти характер распределения полей и спектр МСВ.
В свободной ферромагнитной пленке могут распространяться МСВ трех основных типов с приведенными ниже законами дисперсии -
1) прямые объемные МСВ (ПОМСВ) [135|:
-17-
Рис. 1.1. Характер законов дисперсии основных типов МСВ: а) ПОМСВ, Г») ООМСВ. в) ПМСВ.
1 + fi + 'Isf—fi • ctg{kdy/^fi) = О,
2) обратные объемные МСВ (ООМСВ) [136]:
*2 + + 2 ■ yj-rt# + *» • ctg (dy/S&z) -
-ц(Щ + Щц) - kyV2 = О, и 3) поверхпо<ггные МСВ (ПМСВ) |13б|:
(1.2)
(1.3)
kl + kl + 2,/ЩТЦ ■ + Л» ■ eth (dy/ЩЩ)
+Іі{Щ 4* klfi) - Щи2 = О,
+
(1.4)
Cl& - и2
Здесь к = (кх,ку, kz) , fi = ои? = ин(ин + wm), = ■■°^п Ш0, и -частота
07, — ш~ ujfr — о;2
МСВ, шт = 7,;4тгМо. В уравнении (1.2) о;// = 7С(Я0 — 4тгМ2), а в уравнениях (1.3)-(1.4) ип = 7еЯ0 •
ПОМСВ и ООМСВ являются многомодовыми (рис. 1.1 (а.б)). Номер мод соответствует количеству полуволн (тг/к2), укладывающихся но толщине пленки. У ПОМСВ (рис. 1.1(а)) наклон дисперсионных кривых различных мод положителен для всех значений волновых чисел к. Это соответствует положительным значениям групповой ско-doj
рости ид — —. что является основанием для названия "прямая" волна. У ООМСВ (рис. 1.1(6)) наклон дисперсионных кривых отрицателен и соответственно, отрицательные значения групповой скорости ("обратная" волна).
Для поверхностных МСВ (рис. 1.1(в)) характерен одномодовый режим. От поверхности вглубь пленки амплитуда волны убывает но экспоненциальному закону. На ри-
-18-
Рис. 1.2. Влияние металлического экрана на дисперсию ПМСВ.
Рис. 1.3. Область "сильной" дисперсии в районе "дипольно-обменной" (или "магнигоупругой") щели на дисперсионной кривой МСВ.
сунке 1.2 показано, как может изменяться дисперсия ПМСВ при приближении к поверхности пленки металлического экрана.
В некоторых случаях магпитостатичсские волны при распространении в фср1х>-магнитной пленке могут взаимодействовать с обменными спиновыми волнами, резонирующими по толщине пленки (с модами спин-волнового резонанса) 1137, 31,35) и с упругими модами Лэмба тонкопленочной структуры пленка ЖИГ- подножка ГГГ [138]. При этом дисперсионные кривые чисто дипольиых МСВ искажаются, появляются так называемые "ди польно-обменные" (или магнитоупругие) щели (см. рис. 1.3) с характерными областями сильной дисперсии. Скорость изменения групповой скорости
чисто дииолыюй МСВ.
Приведенные иллюстрации демонстрируют богатое многообразие реально наблюдаемых видов дисперсионных характеристик МСВ, что позволяет управлять параметрами волн в широких пределах.
/ал г
I — 1 вблизи щели на один-два порядка выше соответствующей величины