Спиновые волны в слоистых структурах на основе слабоанизотропных пленок ферритов гранатов

Размещено на http://www.allbest.ru/

На правах рукописи

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Спиновые волны в слоистых структурах на основе слабоанизотропных пленок ферритов гранатов

01.04.11 - Физика магнитных явлений

Филимонов Юрий Александрович

Москва - 2008 г.

Работа выполнена в Саратовском филиале Ордена Трудового Красного Знамени Института радиотехники и электроники РАН.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор Попков А.Ф.,

доктор физико-математических наук, профессор Фетисов Ю.К.,

доктор физико-математических наук, профессор Шавров В.Г.

Ведущая организация: Саратовский государственный университет им. Н.Г. Чернышевского.

Защита диссертации состоится "20" июня 2008 г., в "10-00" на заседании диссертационного совета Д 002.231.01 при Институте радиотехники и электроники РАН по адресу: 125009, Москва ГСП-9, ул. Моховая 11, корп.7.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ИРЭ РАН.

Автореферат разослан "____" _________________2008 г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор С.Н. Артеменко.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. На протяжении последних десятилетий сложился и сохраняется устойчивый интерес к исследованиям спиновых волн (СВ) в слоистых структурах на основе магнитоупорядоченных кристаллов. Это обусловлено, с одной стороны, перспективой практического использования СВ в различных устройствах твердотельной СВЧ-электроники, а с другой - уникальной совокупностью свойств СВ, приводящей к большому разнообразию физических эффектов, наблюдающихся при возбуждении, распространении и взаимодействии волн.

Свойствами спиновых волн можно управлять как с помощью выбора величины и направления внешнего подмагничивающего поля , так и за счет выбора параметров волноведущей среды, в качестве которой, как правило, используют пленки железоиттриевого граната (ЖИГ) на подложках гадолиний галлиевого граната (ГГГ) [1], феррошпинелей [2], гексаферритов [3]и ферромагнитных металлов [4], которые могут образовывать слоистые структуры с другими магнитными пленками [5], а также пленками полупроводников [6], высокотемпературных сверхпроводников [7], сегнетоэлектриков [8]и металлическими экранами [9]. Частота возбуждения и характер СВ определяются внутренним эффективным полем, вклад в которое наряду с внешним полем и полем размагничивания дают поля кристаллографической и ростовой анизотропии, неоднородный обмен и магнитострикция. В том случае, когда два последних вклада несущественны, перенос энергии в среде осуществляется за счет дальнодействующего диполь-дипольного взаимодействия и такие СВ принято называть магнитостатическими волнами (МСВ). Если обменное взаимодействие дает заметный вклад, то распространяющиеся вдоль волновода волны называют дипольно-обменными СВ [10]. Наконец, магнитострикция может приводить к взаимодействию СВ и упругих волн (УВ) и образованию на частотах фазового синхронизма магнитоупругих волн (МУВ) [11]. Поля размагничивания и магнитной анизотропии не меняют характер названных СВ, однако могут существенно влиять на их частоту. По этой причине пленки гексаферритов, обладающие значительным полем одноосной анизотропии, а также пленки ферромагнитных металлов, имеющие большую намагниченность, считаются перспективными для разработки устройств на СВ на диапазон частот > 20 ГГц [12]. Эпитаксиальные структуры ЖИГ/ГГГ и пленки феррошпинелей позволяют исследовать распространение МСВ в области частот 1-20 ГГц. Изучение свойств СВ на частотах ниже 1 ГГц (10-1000 МГц) практически не проводилось, поскольку наличие "внутренних" полей анизотропии не позволяет в большинстве случаев получить частоту возбуждения СВ существенно ниже 500-1000 МГц, не приводя при этом к формированию доменной структуры в пленке.

Между тем, задача освоения высокочастотного и нижнего СВЧ диапазонов (10-1000 МГц) является актуальной, поскольку при этом существенно расширяются возможности технических применений СВ. Кроме того, на низких частотах можно ожидать более яркого проявления тех эффектов, наблюдение которых затруднено на СВЧ, например, магнитоупругого взаимодействия. Наконец сами слабоанизотропные магнитные материалы представляет определенный интерес, поскольку на их основе могут быть разработаны новые подходы к управлению характеристиками СВ.

Цель работы состояла в поиске слабоанизотропных пленок ферритов гранатов, обладающих малыми полями анизотропии и перспективных для использования в качестве волноводов СВ на частотах 10-1000 МГц; исследовании различных способов управления характеристиками спиновых волн в планарных слоистых структурах на основе слабоанизотропных пленок ферритов; изучении нелинейных явлений при распространении спиновых волн; в разработке методов диагностики параметров ферритовых пленок и новых методов измерения характеристик СВ, а также предложении новых устройств обработки информации СВЧ.

Научная новизна работы определяется положениями выносимыми на защиту:

1. Установлено, что ферритовые пленки /ГГГ (111) при степени замещения , намагниченности насыщения Гс и типичных для пленок чистого ЖИГ значениях параметра диссипации Э обладают полями одноосной Э и кубической Э анизотропии, константами магнитострикции и и характеризуются величиной постоянной неоднородного обмена . В таких пленках можно наблюдать распространение дипольных магнитостатических спиновых волн начиная с частот 10 МГц. При этом дисперсионные характеристики таких МСВ могут легко перестраиваться упругими напряжениями, а сами МСВ могут взаимодействовать с обменными и упругими волнами тонкопленочной структуры, что в условиях фазового синхронизма может приводить к возникновению аномальных участков в спектре и осцилляциям затухания, а в отсутствие такового - к радиационным потерям МСВ.

2. Спектр ПМСВ, распространяющихся в структурах феррит-проводник, с точностью не хуже 10 % соответствует спектру ПМСВ либо в структуре феррит-идеальный металл, либо в изолированной пленке. ЭДС увлечения электронов в структуре феррит-полупроводник осциллирует на частотах резонансного взаимодействия МСВ с обменными модами или упругими модами структуры пленка-подложка. Вклад электронов в коэффициент связи МСВ и упругих волн, а также лэмбовских и сдвиговых волн, может приводить к появлению существенной мнимой части, что проявляется в расталкивании частотных зависимостей декрементов взаимодействующих волн.

3. В двухслойных ферритовых структурах можно эффективно управлять дисперсией и затуханием МСВ при изменении взаимной ориентации эквивалентных кристаллографических осей, направления внешнего магнитного поля и величины межслойного обмена.

4. В ферритовых пленках параметрические спиновые волны (ПСВ) могут существенно менять дисперсию и затухание МСВ и условия ее резонансного взаимодействия с упругими волнами Рэлея. Слабый дополнительный сигнал в условиях трехмагнонных распадов ПМСВ может заметно менять распределение ПСВ по спектру пленки и приводить к эффекту усиления вторичных ПМСВ. Вторичные ПМСВ могут образовываться в результате беспороговых процессов слияния двух ПСВ, одна из которых отвечает вырожденному, а другая - невырожденному трехмагнонным распадам ПМСВ накачки.

5. При уровнях надкритичности накачки 1-10 дБ в спектре сигнала МСВ, распространяющихся в касательно намагниченной пленке в условиях трехмагнонных распадов, рождаются сателлиты с частотами 10-1000 кГц, которые не связаны с геометрическими размерами пленки или протяженностью неравновесного участка пленки. При достаточно большой надкритичности МСВ в пленке происходит рождение шумового сигнала, причем в условиях трехмагнонных распадов это обусловлено кинетической неустойчивостью в системе параметрических спиновых волн, а в условиях четырехмагнонного распада - может также явиться результатом развития динамического хаоса через разрушение двухчастотного квазипериодического движения и удвоение периода.

6. Распространение (взаимодействие) импульсов СВЧ в структурах феррит-диэлектрик-металл (ФДМ) на частотах существования МСВ существенно определяется дисперсионными и нелинейными эффектами и выбором местоположения выходного преобразователя (области взаимодействия импульсов) относительно неравновесного участка пленки. В условиях трехмагнонного распада, на выходном преобразователе, расположенном за неравновесным участком, формируется эхоимпульс, вызванный слиянием параметрических СВ и "отключением" механизма нелинейного затухания СВ на неравновесном участке. Четырехмагнонные процессы в ФДМ структуре приводят к самовоздействию импульсов ПМСВ лишь при длительности меньшей времени развития параметрической неустойчивости.

7. В рамках модели, основанной на нестационарном нелинейном уравнении Шредингера с диссипативным членом, удается получить качественное совпадение результатов численного и экспериментального исследований эффектов самовоздействия импульсов ПМСВ в структуре ФДМ.

Практическая значимость работы состоит в исследовании свойств слабоанизотропных эпитаксиальных ферритовых структур /ГГГ (111) , перспективных для разработки устройств спин-волновой электроники в ВЧ и нижней части СВЧ диапазонов, разработке различных методов управления характеристиками МСВ в планарных ферритовых структурах. В результате проведенных исследований предложены методы измерения полей анизотропии и диссипативных параметров ферритовых структур, пространственного декремента и коэффициента дисперсии МСВ, подходы к измерению порога параметрической неустойчивости МСВ и оценке влияния параметрических спиновых волн на дисперсию и затухание МСВ. Созданы макеты бездисперсионной линии задержки и устройств фильтрации, защищенные рядом авторских свидетельств.

Достоверность результатов определяется как использованием современных методов расчета и стандартной измерительной аппаратуры, так и согласием основных теоретических положений и результатов численного моделирования с результатами экспериментов.

Личный вклад автора состоит в постановке задач, участии в проведении расчетов и экспериментальных исследований, обсуждении и изложении результатов исследований. Постановка задачи по экспериментальному исследованию эффектов самовоздействия при распространении импульсов ПМСВ в ФДМ структуре осуществлялась совместно с Никитовым С.А. Численное моделирование эффектов самовоздействия МСВ в ферритовых структурах проводилось на основе программы численного решения нестационарного нелинейного уравнения Шредингера, разработанной Дудко Г.М.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы были представлены и обсуждались на семинарах по спиновым волнам (Ленинград, С. -Петербург 1982-2002, 2007); XIV,XV,XVI и XVIII всесоюзной конференции по физике магнитных явлений (Харьков, 1979, Пермь, 1981, Тула, 1983, Калинин, 1988); XI и XII Всесоюзной конференции по акустоэлектронике и квантовой акустике (Душанбе, 1981, Саратов 1982); Всесоюзной научно-технической конференции "Проектирование и применение радиоэлектронных устройств на диэлектрических волноводах и резонаторах", (Саратов, 1983); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ", (Ленинград, 1984); На 6-ой, 11-ой и 13-ой зимних школах по электронике СВЧ, (Саратов, 1984, 1994, 2006); I-VI Всесоюзных конференциях "Спиновая электроника СВЧ", (Саратов, 1982, Ашхабад, 1985, Краснодар, 1987. Львов, 1989,Звенигород, 1991, Саратов, 1993); Всесоюзных семинарах "Магнитоэлектронные устройства СВЧ" (Киев 1985,1987); Первом и втором Международном симпозиуме "Поверхностные волны в твердых телах и слоистых структурах" (Новосибирск, 1986, Варна, 1989); II,III, IV Всесоюзных школах-семинарах "Функциональная магнитоэлектроника", (Красноярск, 1986, 1988,1990); IX и X-ой Всесоюзной школы-семинара "Новые магнитные материалы микроэлектроники", (Рига 1986, Ташкент 1988); X-ой Международной школы по магнитному резонансу (Новосибирск, 1987); XV-м Всесоюзном семинаре "Гиромагнитная электроника и электродинамика" (Куйбышев, 1987); Международной конференции по магнетизму INTERMAG (Амстердам, 2003); Всесоюзном симпозиуме по физике аморфных магнетиков (Красноярск, 1989); III Всесоюзной школе-семинаре "Взаимодействие электромагнитных волн с твердым телом", (Саратов, 1991); Первом и третьем Международном семинарах "Нелинейные волны в магнитных пленках" (Ульяновск 1991, Рим 1995); I и II объединенных конференциях по магнитоэлектронике (Москва 1995, Екатеринбург 1997); 7-ой Международной конференции по ферритам (Бордо 1996); 16-ом международном симпозиуме "Нелинейная акустика"(Москва, 2002); XII Международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике (Москва, 2003); Международной конференции по функциональным материалам ICFM (Украина, Крым, 2003, 2005, 2007); Международной конференции по магнетизму ICM (Рим, 2003); на научных семинарах в Институте радиотехники и электроники РАН, Институте физических проблем им. П.Л. Капицы РАН, Саратовском государственном университете, Киевском государственном университете, Московском физико-техническом институте, университете Ёнсей (Сеул, Республика Корея).

Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 70 печатных работах, список которых приведен в конце автореферата, в том числе по материалам диссертации получено 6 авторских свидетельств на изобретения.

Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения списка цитированной литературы из 526 наименований, изложена на 454 страницах, включая 251 рисунок.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, формулируется цель работы, приводятся основные положения, выносимые на защиту, отмечается новизна проведенных исследований и дается краткое изложение содержания по главам.

Глава 1 содержит результаты исследований магнитных свойств слабоанизотропных ферритовых эпитаксиальных структур /ГГГ (111) при степени замещения , , выращенных в НИИМЭТ А.В. Маряхиным. В первом разделе главы выводится дисперсионное уравнения МСВ в косонамагниченных ферритовых слоях с кубической анизотропией, проводится его анализ и подробно обсуждается зависимость длинноволновой границы спектра МСВ косонамагниченной пленки от угла между проекцией магнитного поля на плоскость пленки и кристаллографическим направлением, лежащим в плоскости пленки. В пренебрежении "выходом" намагниченности из плоскости намагничивания получено выражение для ориентационной зависимости косонамагниченных пленок и отмечается, что такие зависимости обладают более высокой чувствительностью к влиянию полей анизотропии , чем в случае "традиционного" касательного намагничивания, что делает их удобными для измерения полей . Приводятся результаты экспериментов по исследованию ориентационных зависимостей в пленках Ga,Sc:ЖИГ и результаты измерений полей кубической и одноосной анизотропии (см. таблицу). Обсуждаются результаты исследования "обменных осцилляций" амплитудно-частотных и фазо-частотных характеристик МСВ в пленках Ga,Sc:ЖИГ и результаты измерения обменной константы и обменной жесткости (см. таблицу). Приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования влияния однородных деформаций на спектр ПМСВ в пленках Ga,Sc:ЖИГ и результаты измерений магнитоупругих констант (см. таблицу) по сдвигу частоты упруго деформированной пленки. Делается анализ измерения пространственных декрементов МСВ в пленках, по которым рассчитываются значения диссипативного параметра пленок (см. таблицу). Обсуждаются механизмы радиационных потерь ПМСВ, связанные с излучением убегающих от поверхности пленки объемных обменных и упругих волн, быстрых электромагнитных волн в структуре феррит-сегнетоэлектрик и радиационные потери внутренних поверхностных магнитостатических волн в слоистой структуре из двух анизотропных слоев.

Таблица

Глава 2 посвящена исследованиям особенностей распространения МСВ в слабоанизотропных пленках Ga,Sc:ЖИГ. Приведены результаты экспериментального исследования дисперсионных зависимостей и затухания основных типов МСВ в пленках Ga,Sc:ЖИГ в области частот 10-1000 МГц и выполнено сравнение с результатами соответствующих расчетов. Приводятся результаты экспериментального и теоретического исследования МСВ с упругими модами структуры ферритовая пленка - подложка ГГГ. На примере взаимодействия обратных объемных МСВ (ООМСВ) с лэмбовскими и чисто сдвиговыми упругими волнами касательно намагниченного слоя феррита теоретически исследован ряд новых физических эффектов: снятие вырождения частот отсечки поперечных упругих и магнитостатических мод, которое достигается за счет взаимодействия МСВ и поперечных лэмбовских волн, сопровождается нарушением порядка следования и приводит к резонансному взаимодействию мод МСВ различных номеров одинаковой четности (вставка I к рис. 1); взаимодействию упругих мод различной поляризации за счет магнитострикции (вставка III к рис. 1) и "тройным" резонансам с участием МСВ; эффектам трансформации сдвиговых упругих волн в лэмбовские, поверхностных в - объемные и наоборот в условиях "сильной" магнитоупругой связи, когда резонансные перестройки дисперсии превышают межмодовое расстояние (вставка IV к рис. 1). Резонансное взаимодействие ООМСВ и упругих волн пластины приводит, как правило, к образованию полос "непропускания" (вставка II к рис. 1). В области "быстрых" МУВ наиболее эффективно с МСВ взаимодействуют поперечные лэмбовские моды, тогда как эффективность взаимодействия МСВ с низшими упругими модами различной поляризации примерно одинакова.

На вставках показаны особенности спектра при наличии магнитоупругой связи: I - дисперсия мод ООМСВ вблизи частот отсечки, II-дисперсия и затухание в области резонанса магнитостатической и упругой мод (серый и черный цвета, соответственно, без и с учетом диссипации), III- дисперсия и затухание в области резонанса лэмбовской и сдвиговой упругих мод, IV - дисперсия и затухание упругих мод в области их сгущения.

Рис. 1. Дисперсия ООМСВ (сплошные линии), сдвиговых (пунктир) и лэмбовских (штрих-пунктир) упругих мод в ферритовом слое в отсутствии магнитоупругой связи

Приведены результаты исследования взаимодействия ООМСВ с лэмбовскими модами структуры пленка-подложка и ПАВ Рэлея. Впервые показано, что волна Рэлея испытывает осцилляции декремента и дисперсии в условиях резонансов с модами ООМСВ различных номеров (как низших (преимущественно дипольных), так и высших (преимущественно обменных), которым отвечают области "низких" (А) и "высоких" полей (В) на рис. 2.

Рис. 2. Зависимость дополнительного ослабления ПАВ (А_?) от величины магнитного поля в пленке Ga,Sc:ЖИГ с одноосной магнитной анизотропией "легкая плоскость" (№8 Таблицы)

На вставке: 1- звукопровод LiNbO₃, 2- структура Ga,Sc:ЖИГ/ГГГГ, 3-встречно-штыревые преобразователи (130..150 МГц), 4- микрополосковая антенна.

В структурах переменной толщины, типа "акустическая линза" из-за малых потерь мод Лэмба на частотах 10-500 МГц, возможно "усиление" сигнала МСВ на частотах магнитоупругих резонансов - см. рис. 3.

Рис. 3. АЧХ прохождения ПМСВ в структуре Ga,Sc:ЖИГ, типа "акустическая линза". На вставке вид структуры - пунктиром выделен участок потери синхронизма МСВ и УВ

В условиях совпадения частот резонансного взаимодействия МСВ с модами спин-волнового резонанса (СВР) и Лэмба участие в резонансе упругой моды проявляется в виде тонкой структуры на участке аномальной дисперсии и пика поглощения МСВ, отвечающего образованию дипольно-обменной волны - рис. 4.

Рис. 4. АЧХ прохождения ПОМСВ в структуре №6 Таблицы, Н0=394 Э. Крестиками и кружками отмечены частоты резонанса ПОМСВ с модами Лэмба и СВР, соответственно. На вставке - участок дисперсии, отвечающий совпадению резонансов. Участок потери синхронизма МСВ и УВ

Показано, что в пленках Ga,Sc:ЖИГ с полосовой доменной структурой (ПДС) могут наблюдаться и резонансно взаимодействовать МСВ, отвечающие основным типам колебаний намагниченности в ПДС - волнам смещений доменных границ, синфазных и противофазных типов прецессии магнитного момента в доменах. Для пленок, намагниченных в "трудном" направлении относительно нормальной одноосной поверхностной анизотропии, рассчитаны спектры поверхностных спиновых волн, распространяющихся вдоль границы пленки с закрепленными спинами. В случае, когда закрепление спинов присутствует на обеих границах пленки, такие поверхностные спиновые волны могут гибридизоваться друг с другом, что проявляется в "расталкивании" дисперсионных кривых в области значений . Касательно намагниченных пленках с нормальной поверхностной анизотропией типа "легкая ось", поверхностные спиновые волны могут резонансно взаимодействовать с обратными объемными магнитостатическими волнами.

Глава 3 посвящена исследованию влияния электронов проводимости на распространение дипольно-обменных и магнитоупругих волн в слоистых ферритовых структурах. Экспериментальное и теоретическое исследование распространения ПМСВ в структуре пленка ЖИГ-металлическая пленка конечной проводимости и толщины показало, что закон дисперсии ПМСВ с точностью не хуже 10 % соответствует либо закону дисперсии ПМСВ в свободной пленке ЖИГ, либо в пленке контактирующей с идеальным металлом - рис. 5. Показано, что влияние металла на резонансное взаимодействие МСВ с упругими модами проявляется как за счет изменения дисперсии и затухания МСВ, так и за счет вклада электронов в коэффициент связи упругих волн с ПМСВ. В тех случаях, когда электронные потери являются определяющими, коэффициент связи волн приобретает существенно мнимую добавку:

,

что проявляется в аномальном характере частотной зависимости ослабления МСВ в окрестности резонанса. В приближении идеально проводящего металла рассмотрен механизм "бездиссипативной" фильтрации ПМСВ на участке обратной дисперсии за счет взаимодействия с чисто сдвиговыми модами структуры пленка-подложка. В структурах феррит-полупроводник ЭДС увлечения осциллирует на частотах, отвечающих резонансам МСВ с упругими модами пленка-подложка или модами СВР ферритовой пленки. В условиях сильной спин-электронной связи возможно тунелирование магнитоупругих волн под металлической полоской за счет потери синхронизма мод Лэмба и МСВ под металлом и его обретения на участке пленки за металлом, что проявляется как магнитоупругое "усиление" МСВ - рис. 6.

Рис. 5. I и II дисперсионные поверхности ПМСВ в металлизированной пленке Ga,Sc:ЖИГ и дисперсионные кривые упругих мод в фазовом пространстве (f,q',q")

Числами на кривых указаны номера упругих мод. Стрелками указано движение дисперсионных кривых по поверхностям I и II с ростом толщины металла. На вставках А и В - дисперсия и изменение пространственного декремента ПМСВ, принадлежащей соответственно поверхностям I и II, в области магнитоупругого резонанса со сдвиговыми модами структуры пленка-подложка. Числа на кривых - толщина металла (In) в нанометрах.

В структуре феррит-ленточный полубесконечный электронный поток теоретически исследован спектр ПМСВ для случая, когда направление потока совпадает с направлением касательного к пленке поля, а ПМСВ распространяются под углом к потоку. Показано, что в условиях синхронизма возникает пространственно-частотная селекция ПМСВ. Проанализировано также тепловое влияние потока за счет создания в пленке ЖИГ "тепловой призмы", на которой происходит преломление пучка ПМСВ. Показано, что именно последним механизмом можно объяснить результаты эксперимента по исследованию влияния ленточного электронного потока на распространение ПМСВ.

Рис. 6. Участок АЧХ ПМСВ с магнитоупругими осцилляциями: в отсутствие металла пики поглощения "А", в присутствие полоски In наблюдаются пики "просветления" ("магнитоупругое усиление" МСВ) "В"

Глава 4 посвящена исследованию влияния анизотропии и межслойного обмена на распространение МСВ в двухслойных структурах. Теоретически и экспериментально исследованы МСВ в структуре из двух слоев кубически анизотропного феррита ориентации (111) при намагничивании под углом к нормали структуры. Показано, что спектр МСВ в значительной мере определяется ориентацией кристаллографических осей относительно плоскости намагничивания, образованной нормалью к слоям и внешним полем. Исследован механизм "бездиссипативной" фильтрации объемных МСВ, реализующийся, в частности, в структуре, составленной из идентичных пленок феррита, но ориентированных в плоскости структуры так, что их тождественные кристаллографические направления не совпадают. Спектр ПМСВ, локализованных на интерфейсе структуры с двумя кубически анизотропными слоями, характеризуется следующими особенностями: 1) существуют интервалы частот, отвечающие обусловленным анизотропией объемным МСВ, в которых спектры ПМСВ и ООМСВ оказываются вырожденными; в областях вырождения волны принимают гибридный характер - поверхностные в одном слое и объемные в другом, а спектры волн расталкиваются; 2) условия существования внутренних ПМСВ определяются соотношением скачка одного из параметров структуры и наименьшего из полей анизотропии. Рассмотрены случаи скачка намагниченности и поля анизотропии .

Исследовано влияние обменной связи слоев на распространение дипольных МСВ в двухслойных слоистых ферритовых структурах. Показано, что указанное влияние проявляется в виде эффектов динамического закрепления спинов на межслойной границе и формировании единого для структуры спектра дипольно-обменных волн. При этом на частотах синхронизма дипольных и обменных волн потери дипольных волн растут, а в дисперсии возникают аномальные участки. В случае ПМСВ пики поглощения осциллируют с изменением поля подмагничивания - рис. 7, что связано с эффектом "расталкивания" обменных мод слоистой структуры на частотах вырождения спектров СВР пленок. Указанный эффект позволяет оценить параметр межслойного обмена , который для структур, составленных на основе пленок Ga,Sc:ЖИГ, составил . Показано, что спектр СВР двухслойной структуры существенно определяется соотношением констант (энергий) нормальной одноосной поверхностной анизотропии и обменной связи слоев на межслойной границе: при условии положение частот СВР отвечает простому "объединению" спектров изолированных пленок, при пленки оказываются "связанными" и в формировании спектра участвуют оба слоя одновременно. Для структур с "симметричным" распределением магнитных параметров относительно межпленочной границы в области значений наибольшему изменению подвержены частоты четных мод СВР. При изменения в положении частот оказываются наибольшими, что в случае нормально намагниченной структуры отвечает отсутствию закрепления спинов на межслойной границе (эффективный параметр закрепления спинов: спиновая волна слабоанизотропная слоистая

),

а в случае касательного намагничивания формально связано как с изменением степени закрепления, так и разворотом оси поверхностной анизотропии. Для структур с "несимметричным" распределением параметров относительно межслойной границы и демонстрирующих эффект расталкивания мод СВР при изменении магнитного поля рост закрепления поверхностных спинов приводит к уменьшению расталкивания - см. рис. 7г.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 7. Поведение обменных осцилляций в АЧХ ПМСВ в двухслойной структуре ,, ,, , , , : а) эксперимент; б) расчет без учета обменной связи A₁₂=0; в) расчет при A₁₂=0.1 эрг/см^2; г) влияние закрепления на межслойной границе на величину "расталкивания" мод СВР . Цифры вблизи кривых - значения поля Н₀

Для двухслойной структуры рассмотрен спектр поверхностных спиновых волн, которые могут поддерживаться поверхностями пленки как за счет намагничивания в "трудном" направлении относительно нормальной одноосной поверхностной анизотропии (), так и антиферромагнитным характером межслойного обмена (). Показано, что число ветвей спектра поверхностных СВ определяется соотношением параметров межслойного обмена и поверхностной анизотропии. Определены условия на параметр обменной связи слоев, при которых межслойная граница поддерживает поверхностные СВ с правой или левой поляризацией, характеризуемые положительной и отрицательной дисперсией, соответственно. Показано, что поверхностные СВ могут находиться в условиях фазового синхронизма и резонансно взаимодействовать как друг с другом, так и с объемными модами структуры. Для волн, распространяющихся вдоль магнитного поля, симметрия структуры накладывает правила отбора на взаимодействие волн. Волны, бегущие под углом к касательному магнитному полю, обладают невзаимными свойствами, что проявляется в зависимости вида законов дисперсии поверхностных СВ как от направления нормали к границе, так и от смены направления волны на обратное.

Рис. 8. Зависимость величины пиков дополнительного ослабления (А_?) , отвечающих наибольшим осцилляциям в областях "А" (сплошная линия) и "В" (пунктир) на рис.2, от мощности ПАВ. Треугольники указывают оценку порогов 3М и 4М нестабильности ПМУВ. Штрих-пунктир - зависимость эффективности свертки от мощности одной из ПАВ, когда мощность другой соответствует линейному режиму. На вставках -форма импульса свертки при различных уровнях мощности

Глава 5 посвящена исследованию трехмагнонных (3М) и четырехмагнонных (4М) процессов параметрического возбуждения спиновых волн при распространении МСВ и МУВ в ферритовых структурах. Экспериментально исследованы нелинейные эффекты при распространении ПМУВ Рэлея в пленках Ga,Sc:ЖИГ. Показано, что с ростом мощности амплитуда А_? осцилляций прохождения ПАВ (см. рис. 2) уменьшается (см. рис. 8), а сами осцилляции смещаются в область более низких магнитных полей из-за нестабильности ПМУВ по отношению к процессам параметрического возбуждения спиновых волн. В случае "высокополевых" осцилляций, отвечающих резонансам ПАВ с модами ООМСВ низших номеров, порог нестабильности определяется 4М процессами и может сопровождаться автомодуляцией сигнала, тогда как для "низкополевых" - 3М процессами. Исследована свертка двух встречных импульсов ПМУВ, сигнал которой принимался микрополосковой антенной и наблюдался в узких (~1Э) интервалах магнитных полей, отвечающих резонансам ПАВ с модами ООМСВ различных номеров. Показано, что возможны вынужденный и резонансный режимы свертки, когда формирующийся сигнал свертки является, соответственно, вынужденными и собственными колебаниями намагниченности. Получен критерий идентификации режима свертки, состоящий в зависимости величины сигнала от интеграла перекрытия полей магнитостатических мод образца с полями сигнала свертки. Исследовано влияние параметрической нестабильности на величину и форму сигнала свертки (рис. 8). Показано, что падение эффективности свертки происходит, когда длина неравновесного участка пленки превосходит расстояние пробега импульса ПМУВ до области взаимодействия (перекрытия) волн. В противном случае можно ожидать повышения эффективности свертки.

Исследованы процессы параметрического возбуждения спиновых волн бегущими МСВ в пленках ЖИГ. Для оценки влияния параметрических спиновых волн (ПСВ) на дисперсию и затухание МСВ, а также для оценки протяженности неравновесного участка , где число спиновых волн заметно превышает равновесный (тепловой) уровень, предложен подход, основанный на реализации метода двух волновых накачек в макете с тремя подвижными преобразователями. При этом вносимые на длине неравновесного участка добавки в дисперсию и затухание , где и - действительная и мнимая части волнового числа МСВ на частоте , рассчитываются по изменениям АЧХ (дБ) и ФЧХ (рад) сигнала с помощью соотношений:

, .

С помощью такого подхода для поверхностных и обратных объемных магнитостатических волн в пленках ЖИГ показано, что в изменение дисперсии и затухания МСВ на участке пленки, подверженном действию СВЧ накачки в виде дополнительной МСВ, основной вклад вносят процессы 3М и 4М взаимодействия с участием параметрических спиновых волн возбуждаемых накачкой - рис. 9б, в. При одинаковых уровнях надкритичности накачки, изменение дисперсии и затухания ПМСВ в условиях 3М взаимодействия оказывается на порядок больше, чем при 4М взаимодействии. В условиях 3М неустойчивости накачки и зондирующей волны, одновременно с дисперсией и затуханием зондирующей волны может существенно меняться распределение ПСВ в фазовом пространстве, что проявляется в зависимости амплитуды сателлитов в спектре выходного сигнала накачки от параметров зондирующего сигнала - рис. 9г, д.

При уровнях надкритичности накачки 1-3 дБ в спектре сигнала МСВ, распространяющегося в касательно намагниченной пленке в условиях 3М распадов, обнаружено рождение сателлитов с частотами 10-1000 кГц - рис. 10а, которые не связаны с геометрическими размерами пленки или протяженностью неравновесного участка пленки и при надкритичности 7-10 дБ формируют шумовой спектр вблизи частоты накачки - рис. 10а. Показано, что при достаточно большой надкритичности МСВ (на 15-20 дБ выше порога образования сателлитов [13,14]) в пленке происходит рождение шумового сигнала, причем в условиях трехмагнонного распада это обусловлено развитием "кинетической неустойчивости" (КН) [15]в системе параметрических спиновых волн (рис. 10б), а в условиях 4М распада - также может быть связано с развитием динамического хаоса через разрушение двухчастотного квазипериодического движения (рис. 11а) и удвоения периода (рис. 11б). Показано, что после прохождения через пленку ЖИГ импульсов ПМСВ мощностью на 15-20 дБ выше порога 3М распада, в пленке формируется эхоимпульс, вызванный слиянием параметрических СВ и "отключением" механизма нелинейного затухания в пленке. Условия наблюдения эхоимпульса определяется положением приемного преобразователя относительно неравновесного участка пленки.

Рис. 9. Спектр выходного сигнала ПМСВ накачки на частоте f_p=3455 МГц (а); частотные зависимости дополнительных потерь Дk" (б) и изменений дисперсии Дk' (в) зондирующей ПМСВ, вызванных взаимодействием с параметрическими спиновыми волнами на неравновесном участке длиной L_нер?1 мм пленки ЖИГ толщиной ?5 мкм, Н₀?490 Э, надкритичность накачки С?22.5 дБ, в случае 3М распада. Поведение спектра выходного сигнала накачки в окрестности частоты сателлита [13,14] (отмечен серой стрелкой на рис.9а) при изменении частоты зондирующего сигнала в окрестности полос поглощения I и II на рис.9.б

Рис. 10. Низкочастотные сателлиты (а) и рождение шумового сигнала "КН" (б) в спектре выходного сигнала ПМСВ в условиях 3М распадов в пленке ЖИГ толщиной 5 мкм, Н₀=485 Э, f_p=3455 МГц

Рис. 11. Переходы к хаосу через разрушение двухчастотного квазипериодического движения (а) и удвоение периода (б) в намагниченной под углом ?10^о пленке ЖИГ, Н₀?2267-2270 Э при распространении прямых объемных МСВ частотой f_p=3 ГГц. На рис. а и б слева направо: спектр СВЧ, спектр, временная реализация и фазовый портрет продетектированного выходного сигнала. Мощность растет сверху вниз

Глава 6 посвящена экспериментальному и численному исследованию эффектов самовоздействия МСВ, обусловленных развитием 4М процессов, когда частоты и волновые вектора неравновесных магнонов отвечают условиям , . Экспериментально исследованы эффекты самовоздействия при распространении импульсов ПМСВ в структуре феррит-диэлектрик-металл (ФДМ). Показано, что для импульсов длительностью меньше времени развития параметрической неустойчивости в пленке ЖИГ (в рассмотренном в работе случае) на частотах, отвечающих участку аномальной дисперсии времени задержки ПМСВ от частоты и где выполняется критерий Лайтхилла возникновения модуляционной неустойчивости [16] (участок I на зависимости , см. вставку (ж) к рис. 12), рост мощности приводит к компрессии импульса (рис. 12б), тогда как на участках дисперсии, где критерий Лайтхилла не выполняется (участки II на зависимости ), наоборот, наблюдается декомпрессия импульса (рис. 12а, г). Для импульсов длительностью модуляционная неустойчивость на временах подавляется параметрической - рис. 12г-е.

Показано, что в отличие от 3М процессов, при развитии 4М процессов (модуляционной и параметрической неустойчивости) форма импульса ПМСВ, "вошедшего" в пленку, достаточно близка к форме падающего импульса СВЧ. Показано, что для импульсов длительностью зависимости пиковой амплитуды выходного импульса от амплитуды входного импульса на участках дисперсии I и II имеют различный характер - см. рис. 13. При этом для солитоноподобных импульсов наблюдается экстремум в зависимости , который достигается на разных длинах пробега импульса в пленке при достаточно близких значения (видно из сравнения кривых 1 и 2 на рис. 12, которые отвечают значениям соответственно и ).

Рис. 12. Поведение огибающей импульсов ПМСВ в ФДМ структуре образованной пленкой ЖИГ толщиной 14.1 мкм, разделенной с металлическим экраном воздушным зазором 100 мкм, расстояние между преобразователями , внешнее поле на частотах , отвечающих участкам I и II на частотной зависимости времени задержки ПМСВ (см. вставку (ж). Рис.а-с, отвечают входным импульсам длительностью , рис.г-е -импульсам длительностью . Цифры у кривых - мощность ПМСВ

Рис. 13. Зависимость пиковой амплитуды выходного импульса ПМСВ от безразмерной амплитуды входного импульса длительностью на частотах , отвечающих участкам дисперсии I и II на зависимости времени задержки от частоты ПМСВ в ФДМ структуре с параметрами отвечающими рис.12

На рис.13.а кривые 1 и 2 отвечают результатам измерений при расстоянии между антеннами и .

При одновременном распространении импульса ПМСВ и сигнала накачки длительностью наблюдается подавление импульса. Поскольку такое влияние, во-первых, не имело связи с выбором частот на участках дисперсии I или II, и, во-вторых, наблюдалось при отстройке частот импульса и накачки заметно превышающей ширину центрального лепестка в спектре импульса (), то механизм этого влияния связан с рассеянием импульса на ПСВ, рождаемых накачкой. Изменением времени подачи импульсного сигнала относительно импульса накачки, было определено время жизни ПСВ в пленке, которое составило 300-350 нс, чему отвечают значения диссипативного параметра Э.

Численное моделирование эффектов самовоздействия проводилось на основе нелинейного уравнения Шредингера (НУШ) с диссипативным членом. Поскольку ширина спектра импульса сопоставима с шириной области частот I в законе дисперсии ПМСВ в ФДМ структуре на рис. 12.ж, то для лучшего соответствия с результатами эксперимента в расчетах использовался взвешенный по спектру коэффициент дисперсионного расплывания импульса:

,

,

- частоты, отвечающие ширине спектральной функции импульса по уровню Ѕ. Показано, что минимальной длительности по уровню Ѕ солитоноподобный импульс достигает на расстояниях от входной антенны близких к половине дисперсионной длины импульса:

,

.

Показано, что в линейном режиме указанному расстоянию отвечает минимальная длительность импульса по уровню Ѕ, которая достигается за счет интерференции главной части импульса и предвестников в ближней (Френелевской) зоне и может составлять до 40 % от длительности входного прямоугольного импульса. Показано, что влияние несолитонной части импульса на распространение солитона МСВ в ферритовых структурах с типичными значениями параметра диссипации может проявляться в виде немонотонной зависимости пиковой мощности выходного импульса от мощности на входе, аналогичной наблюдаемой экспериментально - см. рис. 13.а.

На основе численного решения нестационарного нелинейного уравнения Шредингера с диссипативным членом показано, что развитие модуляционной неустойчивости в пленках ЖИГ может приводить к рождению хаотического сигнала через разрушение двухчастотного квазипериодического движения и удвоение периода - см. рис. 11. Процесс самомодуляции амплитудно-модулированных сигналов МСВ может сопровождаться синхронизацией на частотах внешнего воздействия и самомодуляции, биениями на названных частотах, формированием периодической последовательности солитоноподобных импульсов, а также хаотизацией периодической или синхронизацией стохастической самомодуляции. При выбранной частоте и глубине внешней модуляции характер поведения огибающей МСВ определяется удаленностью точки наблюдения от входной антенны. Самовоздействие волновых пучков дипольных ООМСВ проявляется в виде стационарной самофокусировки и расслоения пучков на систему волноводных каналов, которые в зависимости от вида апертурной функции могут пересекаться или расталкиваться. Одновременное развитие процессов самомодуляции и самофокусировки волнового пучка ООМСВ может приводить к нестационарным эффектам в виде волны модуляции, бегущей по сфокусированному пучку, либо пространственно-временному хаосу в распределении интенсивности МСВ. При распространении 2-D импульсов ООМСВ возможен их распад на изолированные фрагменты, а также формирование 2-D солитонов.

Глава 7 посвящена обсуждению возможностей практического использования результатов диссертации. Приводится описание конструкций и лабораторных макетов полоснопропускающих фильтров, бездисперсионных линий задержки, феррит-полупроводниковых детекторов, эффективных неотражающих поглотителей. Излагаются способы измерения полей анизотропии ферритовых пленок, затухания и коэффициента дисперсии МСВ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1.Исследованы свойства эпитаксиальных пленок /ГГГ (111) при степени замещения . Показано, что при намагниченности насыщения Гс и типичных для пленок чистого ЖИГ значениях параметра диссипации Э такие пленки обладают полями одноосной Э и кубической Э анизотропии, константами магнитострикции и и характеризуются величиной постоянной неоднородного обмена . Обнаружено, что в таких пленках, по сравнению с пленками чистого ЖИГ той же толщины, скорость обменных волн, отвечающих модам СВР одинаковых номеров, оказывается в несколько раз выше, что позволяет реализовать резонансное взаимодействие дипольных МСВ и спин-волновых мод пленочного волновода и использовать этот эффект для измерения обменной константы пленок толщиной 20-30 мкм.

2. Изучены радиационные потери МСВ в ферритовых структурах, связанные с излучением объемных упругих и обменных волн в ферритовых пленках, а также электромагнитных волн в структурах феррит-сегнетоэлектрик. В ферритовых пленках радиационные "обменные" потери дают заметный вклад в диапазоне магнитных полей:

.

Для "магнонных" кристаллов, образованных вытравливанием несквозных ямок в пленке ЖИГ, механизм радиационных потерь определяется характером двумерной латеральной структуры. "Упругие" радиационные потери в ферритовых толстых пленках (для которых справедливо приближение полупространства) достигает максимума в области волновых чисел, отвечающих магнитоупругому резонансу. Радиационные потери ПМСВ, распространяющейся в структуре ферритовая пленка разделенная воздушным зазором толщиной с полубесконечным сегнетоэлектриком с диэлектрической проницаемостью , на частоте существенно определяются соотношением между двумя "критическими" значениями волнового числа МСВ:

и .

3. Исследовано распространение МСВ в пленках /ГГГ (111) при степени замещения . Обнаружено, что в таких пленках МСВ могут распространяться, начиная с частот 10-30 МГц в геометрии ПОМСВ и 80-100 МГц в геометрии ООМСВ и ПМСВ, сохраняя при этом все свойства, присущие МСВ СВЧ диапазона. Впервые экспериментально обнаружены осцилляции прохождения ПАВ Рэлея, обусловленные резонансным взаимодействием с модами ООМСВ различных номеров. Установлено, что в пленках Ga,Sc:ЖИГ с намагниченностью < 300 Гс, обладающих анизотропией "легкая плоскость", могут наблюдаться осцилляции, отвечающие резонансам ПАВ как с низшими, дипольными модами ООМСВ, так и с обменными модами высоких номеров.

Показано, что распространение быстрых МУВ в структуре ЖИГ-ГГГ неоднородной толщины ("акустическая линза") имеет особенность - существование в направлении распространения волны точек потери и возврата синхронизма. В области между указанными точками МСВ и УВ распространяются независимо, причем УВ "ускоряется" за счет эффекта формы подложки. Такое независимое распространение приводит к уменьшению ослабления МСВ на частотах МУ резонанса, если потери УВ меньше потерь МСВ.

4. Теоретически исследованы основные особенности спектра МУВ продольно намагниченного ферритового слоя: снятие вырождения частот отсечки поперечных упругих и магнитостатических мод, резонансное взаимодействие между упругими и магнитостатическими модами, а также упругими модами различной поляризации. Установлено, что снятие вырождения частот отсечки достигается за счет взаимодействия ООМСВ и поперечных лэмбовских упругих мод. При этом порядок следования мод ООМСВ нарушается, что приводит к резонансному взаимодействию между модами одинаковой четности. Установлено, что в области спектра, отвечающей быстрым МУВ, ООМСВ наиболее эффективно взаимодействует с поперечными модами Лэмба, тогда как при резонансах с упругими модами низших номеров эффективность взаимодействия ООМСВ со сдвиговыми и лэмбовскими модами одного порядка. Показано, что в условия "сильной" магнитоупругой связи образуется единый магнитоупругий резонанс с участием нескольких упругих мод, при котором происходит трансформация сдвиговых мод в лэмбовские, поверхностных в объемные и наоборот. Показано, что лэмбовские и сдвиговые упругие моды могут резонансно взаимодействовать на частотах фазового синхронизма благодаря их связи через магнитную подсистему. Эффективность такого взаимодействия определяется восприимчивостью магнитной подсистемы к внешним возбуждениям и повышается с приближением к магнитоупругим резонансам.

5. В пленках Ga,Sc-ЖИГ с полосовой доменной структурой оказывается возможным наблюдать МСВ, отвечающие трем основным типам колебаний намагниченности полосовой доменной структуры: волнам смещений доменных границ, а также волнам синфазных и противофазных колебаний намагниченности в доменах.

6. Экспериментально и численно исследована трансформация дисперсии и затухания ПМСВ в структуре феррит-металл с ростом толщины металла . Показано, что по мере роста и перехода от свободной пленки к металлизированной, в интервале толщин , которому отвечает интервал значений параметра спин-электронной связи

: ,

в спектре передачи ПМСВ возникает область частот непропускания сигнала, где волновые числа ПМСВ

характеризуются соотношением действительной и мнимой частей характерным для нераспространяющихся волн ().

7. Показано, что характером и величиной резонансных перестроек в дисперсии и затухании ПМСВ при взаимодействии с упругими модами в структуре металл-феррит-диэлектрик, можно эффективно управлять за счет выбора толщины металлического слоя. Коэффициент связи ПМСВ и УВ в структуре феррит-металл может характеризоваться существенной мнимой частью, что сопровождается "расталкиванием" в законах дисперсии и частотных зависимостях пространственных декрементов, образованием особенностей в дисперсии и затухании. Показано, что прохождение быстрых МУВ под полоской металла существенно определяется соотношением величин вносимых металлом электронных потерь и параметра перестройки спектра МСВ в области МУ резонанса . При условии , электронные потери приводят к разрушению МУ резонанса, вследствие чего МСВ поглощается металлом, а УВ распространяется независимо и в области за металлом вновь оказывается в условиях резонанса с МСВ. При этом в АЧХ возникают пики пропускания на частотах образования МУВ.

8. В монолитных структурах феррит-полупроводник МСВ помимо ЭДС увлечения генерируют термо ЭДС, которая обусловлена неоднородным нагревом структуры СВЧ мощностью, имеет время установления , определяемое временем пробега тепловой волны по толщине структуры, и растет с частотой. ЭДС увлечения в структуре феррит-полупроводник осциллирует в пределах спектра МСВ, имея минимумы на частотах образования дипольно-обменных или быстрых магнитоупругих волн, а электронная составляющая пространственного декремента имеет участки "аномальной дисперсии", где максимум (минимум) смещен относительно этих частот вниз (вверх) на частоту релаксации упругой (обменной) компоненты. Применение методики, основанной на эффекте увлечения электронов в структуре феррит-полупроводник, позволяет с высокой точностью измерять как магнитную, так и электронную составляющие декремента МСВ в структуре.

9. В структуре феррит-электронный поток для ПМСВ, распространяющихся под углом к магнитному полю, возможно резонансное взаимодействие с тремя типами поверхностных электрокинетических волн: быстрой и медленной циклотронными волнами, и волной пространственного заряда. В случае слабого "прилипания" электронов к поверхности пленки к неустойчивости приводит резонансное взаимодействие ПМСВ и медленной циклотронной волны, а в случае достаточно сильного "прилипания" - взаимодействие ПМСВ и волны пространственного заряда. Частотная зависимость направления переноса энергии ПМСВ в областях ее резонансного взаимодействия с поверхностными электрокинетическими волнами в структуре феррит-полубесконечный электронный поток, или с замедленными электромагнитными волнами структуры феррит-сегнетоэлектрик, может на несколько порядков превышать аналогичную зависимость в изолированных пленках ЖИГ.

Характер теплового воздействия ленточного электронного потока (ЭП) на распространение ПМСВ в пленках ЖИГ определяется длительностью импульса ЭП, что связано со скоростью диффузии тепла в структуре ЖИГ/ГГГ. При длительности импульсов ЭП >2-3 с структурой ЖИГ/ГГГ равномерно прогревается, и зона возбуждения ПМСВ сдвигается "вниз" по частоте с уменьшением амплитуды прошедшего сигнала. Другой режим связан с временем диффузии тепла по толщине (~0.5 мкм) структуры, что приводит через ~0.2 с к появлению нагретого участка пленки с четкими границами - "тепловой призмы". Под влиянием преломления ПМСВ на границах "призмы" происходит трансформация АЧХ, наиболее заметная (>20 дБ) для коротковолновой области. При малой длительности импульса ЭП (мкс) распределение температуры нестационарно, и наблюдается непрерывное изменение выходного сигнала.