Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора
физико-математических наук: 01.04.11 – Физика магнитных явлений. —
Саратовский филиал Ордена Трудового Красного Знамени институт
радиотехники и электроники РАН. — Москва, 2008. — 47 с.
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:
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.
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.
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 бес-пороговых процессов слияния двух ПСВ, одна из которых отвечает вырожденному, а другая - невырожденному трехмагнонным распадам ПМСВ накачки.
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.
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 эхо-импульс, 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.
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, 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.
Научная новизна работы определяется положениями выносимыми на защиту:
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.
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.
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 бес-пороговых процессов слияния двух ПСВ, одна из которых отвечает вырожденному, а другая - невырожденному трехмагнонным распадам ПМСВ накачки.
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.
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 эхо-импульс, 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.
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, 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.