Особенности спектра спиновых волн в поперечно ограниченных ЖИГ микроволноводах с неоднородным профилем намагниченности

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Проведено исследование спектров спиновых волн в двухслойной структуре железо-иттриевого граната (ЖИГ) с различными величинами намагниченностями насыщения слоев. Исследованы различные режимы распространения спиновых волн (взаимный, невзаимный, одноволновой) в зависимости от типа структуры и ширины центрального волновода. Проведена классификация спектров спиновых волн, выделен класс направляемых, вытекающих и краевых спиновых мод. В частности, показано, что в системе планарных магнитных гребенчатых микроволноводов LS-типа (Ms1 < Ms2) с периодическими граничными условиями при ширине w центрального волновода наблюдаются два не смежных частотных региона существования направляемых мод центрального волновода. В системе планарных магнитных гребенчатых микроволноводов HS-типа (Ms1 > Ms2) при любых значениях ширины центрального волновода существуют два смежных частотных региона: в высокочастотном регионе реализуется режим с вытекающими модами структуры, в низкочастотном регионе реализуется режим с направляемыми модами центрального волновода. Показано, что в системах обоих типов в области сильно неоднородных магнитных полей могут существовать моды краевых волн, обладающие взаимным характером распространения. Полученные результаты могут быть использованы для расширения и уточнения физики волновых процессов в сложных магнитных структурах.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Ю. В. Александрова

СГУ имени Н.Г. Чернышевского

Автор, ответственный за переписку.
Email: jvaleksandrova@gmail.ru
Россия, Саратов

Е. Н. Бегинин

СГУ имени Н.Г. Чернышевского

Email: jvaleksandrova@gmail.com
Россия, Саратов

С. Е. Шешукова

СГУ имени Н.Г. Чернышевского

Email: jvaleksandrova@gmail.ru
Россия, Саратов

А. В. Садовников

СГУ имени Н.Г. Чернышевского

Email: jvaleksandrova@gmail.com
Россия, Саратов

Список литературы

  1. Kruglyak V.V., Demokritov S.O., Grundler D. Broadband injection and scattering of spin waves in lossy width-modulated magnonic crystal waveguides // Magnonics. J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V. 43. No.26. P. 264001(14). https://doi.org/10.1088/0022-3727/46/13/135003
  2. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука, 1973. 591 с.
  3. Ахиезер А.И., Барьяхтар В.Г., Пелетминский С.В. Спиновые волны. М.: Наука, 1967. 368 с.
  4. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит, 1994. 464 с.
  5. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. К теории дисперсии магнитной проницаемости ферромагнитных тел / Ландау Л.Д. Собрание трудов в 2 т. Под ред. Е. М. Лифшица. М.: Наука, 1969. Т. 1. 512 с.
  6. Cherepanov V., Kolokolov I., and L’vov V. The saga of YIG: Spectra, thermodynamics, interaction and relaxation of magnons in a complex magnet // Phys. Rep. 1993. V. 229. Р. 81. https://doi.org/10.1016/0370-1573(93)90107-O
  7. Glass H.L. Ferrite films for microwave and millimeter-wave devices // Proc. IEEE. 1988. V. 76. Р. 151. https://doi.org/10.1109/5.4391
  8. Geller S., Gilleo M.A. Structure and ferrimagnetism of yttrium and rare-earth-iron garnets // Acta Crystallogr. 1957. V. 10. Р. 239. https://doi.org/10.1107/S0365110X57000729
  9. Klingler S., Chumak A., Mewes T., Khodadadi B., Mewes C., Dubs C., Surzhenko O., Hillebrands B., and Conca A. Measurements of the exchange stiffness of YIG films by microwave resonance techniques // J. Phys. D. Appl. Phys. 2015. V. 48. Р. 015001. https://doi.org/10.1088/0022-3727/48/1/015001
  10. Serrao C.R., Sahu J.R., Ramesha K., and Rao C. N.R. Magnetoelectric effect in rare earth ferrites // J. Appl. Phys. 2008. V. 104. Р. 016102. https://doi.org/10.1063/1.2946455
  11. Sadovnikov A.V., Odintsov S.A., Beginin E.N., Grachev A.A., Gubanov V.A., Sheshukova S.E., Sharaevskii Yu.P, Nikitov S.A. Nonlinear Spin Wave Effects in the System of Lateral Magnonic Structures // JETP Letters. 2018. V. 107(1). P. 25–29. https://doi.org/10.1134/S0021364018010113
  12. Sadovnikov A.V., Bublikov K.V., Beginin E.N., Sheshukova S.E., Sharaevskii Yu.P., Nikitov S.A. Nonreciprocal propagation of hybrid electromagnetic waves in a layered ferrite–ferroelectric structure with a finite width // JETP Lett. 2015. V. 102. Р. 142–147. https://doi.org/10.1134/ S0021364015150102
  13. Kalyabin D.V., Sadovnikov A.V., Beginin E.N., Nikitov S.A. Surface spin waves propagation in tapered magnetic stripe // J. Appl. Phys. 2019. V. 126. P. 173907.
  14. Odintsov S.A., Beginin E.N., Sheshukova S.E., Sadovnikov A.V. Reconfigurable Lateral Spin-Wave Transport in a Ring Magnonic Microwaveguide // JETP Lett. 2019. V. 110. Р. 430–435. https://doi.org/10.1134/S0021364019180061
  15. Davies C.S., Sadovnikov A.V., Grishin S.V., Sharaevskii Yu.P., Nikitov S.A., Kruglyak V.V. Generation of propagating spin waves from regions of increased dynamic demagnetising field near magnetic antidots // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 107. Р. 162401. https://doi.org/10.1063/1.4933263
  16. Vysotskii S.L., Sadovnikov A.V., Dudko G.M., Kozhevnikov A.V., Khivintsev Y.V., Sakharov V.K., Novitskii N.N., Stognij A.I., Filimonov Y.A. Spin-waves generation at the thickness step of yttrium iron garnet film // Appl. Phys. Lett. 2020. V. 117. Р. 102403. https://doi.org/10.1063/5.0018388
  17. Chumak A.V., Kabos P., Wu M., Abert C., Adelmann C., Adeyeye A.O., Akerman J., Aliev A. et al. Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing. Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing // IEEE Trans. Magn. 2022. V. 58 (6). Article 0800172. https://doi.org/10.1109/TMAG.2022.3149664
  18. Khitun A. Multi-frequency magnonic logic circuits for parallel data processing // J. Appl. Phys. 2012. V. 111 (5). Р. 054307. https://doi.org/10.1063/1.3689011
  19. Одинцов С.А., Локк Э.Г., Бегинин Е.Н., Садовников А.В. Эффекты нелинейности при распространении спиновых волн в двуслойном магнонном волноводе // ФТТ. 2022. Т. 9. С. 1263–1266. https://doi.org/10.21883/FTT.2022.09.52813.06HH
  20. Odintsov S.A., Sheshukova S.E., Nikitov S.A., Lock E.H., Beginin E.N., and Sadovnikov A.V., Nonreciprocal spin wave propagation in bilayer magnonic waveguide // J. Magn. Magn. Mater. 2021. V. 546. P. 168736. https://doi.org/10.32362/2500-316X-2022-10-4-55-64
  21. Vansteenkiste A., Leliaert J., Dvornik M., Helsen M., Garcia-Sanchez F., Waeyenberge B.V. The design and verification of MuMax3 // AIP Advances. 2014. V. 4. (10). Р. 107133.
  22. Demokritov S., Slavin A. Magnonics: From Fundamentals to Applications // Topics in Applied Physics 2012. V. 125. Springer Berlin Heidelberg.
  23. Demidov V.E., Urazhdin S., Zholud A., Sadovnikov A.V., Demokritov S.O. Dipolar field-induced spin-wave waveguides for spin-torque magnonics // Appl. Phys. Lett. 2015. V. 106. Р. 022403.
  24. Gubbiotti G., Sadovnikov A., Beginin E., Sheshukova S., Nikitov S., Talmelli G., Asselberghs I., Radu I.P., Adelmann C., and Ciubotaru F. Magnonic band structure in CoFeB/Ta/NiFe meander-shaped magnetic bilayers // Phys. Rev. Appl. 2021. V. 15. Р. 014061.
  25. Филимонов Ю.А., Шеин И.В. Внутренние магнитостатические волны в структуре с двумя анизотропными ферритовыми слоями // ЖТФ. 1992. Т. 62 (1). P. 187–196.
  26. O’Keeffe T.W., Patterson R.W. Magnetostatic surface-wave propagation in finite samples // J. Appl. Phys. 1978. V. 49. P. 4886–4895.
  27. Bajpai S.N. Excitation of magnetostatic surface waves: Effect of finite sample width // J. Appl. Phys. 1985. V. 58. Р. 910–913. https://doi.org/10.1063/1.336164
  28. Grassi M., Geilen M., Louis D., Mohseni M., Brächer T., Hehn M., Stoeffler D., Bailleul M., Pirro P., Henry Y. Slow-Wave-based nanomagnonic diode // Phys. Rev. Appl. American Physical Society. 2020. V. 14. № 2. P. 1. https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.14.024047
  29. Kalinikos B.A., and Slavin A.N. Ferromagnetic Films With Mixed Exchange Boundary // J. Phys. C. Solid State Phys. 1986. V. 19. P. 7013–7033.
  30. Damon R.W., Eshbach J.R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab // J. Phys. Chem. Solids. 1961. V. 19 (3-4). Р. 308–320. https://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90041-5
  31. Stancil D., Prabhakar A. Spin Waves: Theory and Applications. New York: Springer, 2009. 346 p.
  32. Lan J., Yu W., Wu R., Xiao J. Spin-Wave Diode // Phys. Rev. X. 2015. V. 5. № 4. P. 041049. https://doi.org/10.1103/PhysRevX.5.041049
  33. Самардак А.С., Колесников А.Г., Давыденко А.В., Стеблий М.Е., Огнев А.В. Топологически нетривиальные спиновые текстуры в тонких магнитных пленках // Физика металлов и металловедение. 2022. Т. 123. № 3. С. 260–283. https://doi.org/10.31857/S0015323022030093

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение исследуемой структуры, состоящий из двух пленок ЖИГ (а); поперечное сечение структуры в плоскости (y, z) (б); вид сверху на структуру в плоскости (x, y) (в). Желтым цветом выделена область возбуждения при численном эксперименте. Красным цветом выделены области выходных антенн. Ориентация внешнего магнитного поля H0 показана стрелкой на рисунке. Используемые обозначения даны в тексте

Скачать (236KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Распределение (z) в сечении y = Ly/2 в зависимости от ширины волновода w: a) LS-структура, б) HS-структура

Скачать (219KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Распределение (y) в сечениях z = 0 (cплошная линия) и z = d1 + d2 (штриховая линия): a) LS-структура; б) HS-структура

Скачать (207KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Дисперсионная характеристика СВ в двухслойной безграничной референсной LS-структуре: пунктирными линиями показаны частоты fp1, fp2 начала ветвей дисперсионных характеристик, символами (a, b, c, d) отмечены отдельные дисперсионные ветви, цифрами (I, II, III) отмечены характерные частотные области

Скачать (112KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Дисперсионные характеристики спиновых волн и частотные регионы различных режимов распространения в зависимости от ширины волновода w в различных сечениях периодической структуры LS-типа. a, в – сечение D–D, б, г – сечение C–C; a, б – w = 200 мкм, в, г – w = 50 мкм

Скачать (586KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Дисперсионные характеристики спиновых волн и частотные регионы различных режимов распространения в зависимости от ширины волновода w в различных сечениях периодической структуры HS-типа. a, в – сечение D–D, б, г – сечение C–C; a, б – w = 200 мкм, в, г – w = 50 мкм

Скачать (586KB)
Метаданные