Эффекты гибридизации электромагнитных, спиновых и упругих волн в слоистых феррит-диэлектрических структурах Тихонов, Владимир Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор литературы 19

1.1. Выводы 29

2. Эффекты гибридизации магнитостатических и упругих волн 30

2.1. Быстрые магнитоупругие волны. Теория 30

2.2. Быстрые магнитоупругие волны. Эксперимент 46

2.3. Нелинейные свойства быстрых магнитоупругих волн 63

2.4. Выводы 86

3. Эффекты грїбридизации магнитостатических и электромагнитных волн 89

3.1. Электромагнитно-дипольные волны 89

3.2. Быстрые электромагнитно-дипольные и электромагнитно-дипольно-упругие волны 114

3.3. Выводы 125

4. Эффекты гибридизации электромагнитных, магнитостических и обменных спиновых волн 127

4.1. Возбуждение обменных спиновых волн в имплантированных пленках ЖИГ 130

4.2. Выводы 148

5. Эффекты распространения и гибридизации магнитостатических волн в пленках жиг с доменной структурой 150

5.1. Магнитостатические и быстрые магнитоупругие волны в пленках ЖИГ с нерегулярной доменной структурой 150

5.2. Особенности распространения магнитостатических волн в ненасыщенных субмикронных пленках ЖИГ 165

5.3. Нелинейные свойства поверхностных магнитостатических волн 197

в ненасыщенных и ел або насыщенных пленках ЖИГ

5.4. Выводы

6. Эффекты распространение магнитостатических волн в насыщенных и ненасыщенных пленках феррошпинели 200

6.1. Выводы 217

7. Устройства свч на основе гибридных спиновых волн 219

7.1. Узкополосные магнитоакустические фильтры СВЧ 220

7.2. Электрически управляемые линии задержки, фазовращатели и модуляторы СВЧ 229

7.3. Линии задержки на обменных спиновых волнах : 233

7.4. Устройство намагничивания и термостабилизации частоты спинволновых устройств 236

7.5. Выводы 249

Заключение 250

Список цитируемой литературы

• Быстрые магнитоупругие волны. Эксперимент
• Быстрые электромагнитно-дипольные и электромагнитно-дипольно-упругие волны
• Особенности распространения магнитостатических волн в ненасыщенных субмикронных пленках ЖИГ
• Электрически управляемые линии задержки, фазовращатели и модуляторы СВЧ

Введение к работе

Актуальность темы диссертации. Тема диссертационной работы направлена на решение фундаментальных проблем физики магнитных явлений, касающихся практически важных вопросов возбуждения спиновых волн в ферритовых средах и их взаимодействия с другими типами волн – электромагнитными и акустическими. Исследовались процессы длительного взаимодействия (гибридизации) дипольных спиновых (магнитостатических) волн с волноводными модами электромагнитных, акустических и обменных спиновых волн. В результате такого взаимодействия возникали новые типы гибридных спиновых волн, которые обладали уникальными свойствами. Эти свойства использовались для создания новых типов устройств аналоговой обработки СВЧ сигналов. Другое направление исследований эффектов гибридизации связано с преобразованием энергии быстрых и медленных типов волн. Это позволило решить проблему возбуждения и приема коротковолновых обменных спиновых волн (ОСВ) с длинами волн порядка 0,01-0,1мкм. Это направление является чрезвычайно важным, поскольку открывает принципиально новый этап развития спинволновой электроники.

Особый интерес представляли исследования возможности распространения и гибридизации магнитостатических волн (МСВ) в ненасыщенных пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) в присутствие нерегулярной (лабиринтной) доменной структуры (ДС). Целью этих исследований являлось значительное снижение намагничивающих полей вплоть до полного отказа от намагничивания. Это направление также является актуальным, поскольку решает практически важную задачу миниатюризации магнитных систем спинволновых устройств. Параллельно решалась задача продвижения спинволновых устройств в высокочастотную область СВЧ диапазона. С этой целью исследовались возможности распространения магнитостатических волн в пленках сильно анизотропных (одноосных) ферритов. В частности исследовались пленки марганцевого феррита-шпинели, в которых было обнаружено высокочастотное возбуждение МСВ при слабых (ненасыщающих) полях.

Результаты исследований нашли применение в ряде новых спинволновых устройств (узкополосных фильтров частот, электрически управляемых линий задержки, фазовращателей, модуляторов), которые были разработаны в рамках темы диссертационной работы. Разработка предлагаемых устройств проводилась в комплексе с миниатюрной экранированной электрически управляемой магнитной системой, которая, к тому же, обеспечивала высокую термостабильность ферритовых устройств.

Целью настоящей работы являлось обнаружение и экспериментальное исследование:

1. эффектов гибридизации электромагнитных, магнитостатических и упругих волн в слоистых феррит-диэлектрических структурах, включая:

эффекты линейного и нелинейного магнитоупругого взаимодействия в пластинах и эпитаксиальных пленках ЖИГ;

эффекты электромагнитно-дипольного взаимодействия в слоистой структуре феррит-сегнетоэлектрик;

эффекты электромагнитно-дипольного и электромагнитно-дипольно-упругого взаимодействия в микрополосковых линиях передачи нагруженных на тонкопленочный ферритовый волновод;

эффекты электромагнитно-обменного и дипольно-обменного взаимодействия в имплантированных пленках ЖИГ, включая эффекты импульсного возбуждения и приема обменных спиновых волн;

2. эффектов распространения и гибридизации магнитостатических волн в ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ, включая:

эффекты распространения и гибридизации магнитостатических волн в ненасыщенных пленках ЖИГ в присутствии нерегулярной (лабиринтной) доменной структуры;

эффекты распространения магнитостатических волн в докритических (субмикронных) пленках ЖИГ при полном отсутствии намагничивающего поля;

особенности нелинейных эффектов распространения поверхностных магнитостатических волн в ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ;

1. эффектов распространения магнитостатических волн в насыщенных и ненасыщенных пленках марганцевой феррошпинели.

Научная новизна и значимость полученных результатов.

2. 1. 1. 1. Впервые показана возможность гибридизации магнитостатических волн с волноводными модами электромагнитных, упругих и обменных спиновых волн. Экспериментально обнаружены новые типы гибридных волн – быстрые магнитоупругие волны, быстрые электромагнитно-дипольные и электромагнитно-дипольно-упругие волны, быстрые электромагнитно-обменные и дипольно-обменные волны. Показано, что на частотах гибридизации дисперсия относительно быстрых связанных волн испытывает аномальные (S-образные) искажения.

         2. Экспериментально обнаружены эффекты комбинационного рассеяния быстрых магнитоупругих и магнитостатических волн, в результате которых порождаются новые быстрые магнитоупругие волны и чисто упругие волны на разностных частотах.

         3. Впервые показана возможность электрического управления дисперсией магнитостатических волн за счет гибридизации с замедленными электромагнитными модами в слоистой структуре феррит-сегнетоэлектрик.

         4. Впервые показана возможность высокоэффективного преобразования энергии коротковолновых обменных спиновых волн за счет возбуждения в тонком имплантированном слое пленки ЖИГ вытекающих обменных мод гибридизованных с электромагнитными и/или магнитостатическими волнами.

         5. Впервые показана возможность возбуждения магнитостатических волн в ненасыщенных пленках ЖИГ в присутствие доменной структуры. Показана возможность возбуждения МСВ при полном отсутствии намагничивающих полей. Выявлены условия возбуждения и особенности обнаруженных волн.

         6. В ненасыщенных и слабо насыщенных пленках ЖИГ обнаружены эффекты значительного повышения порога трехмагнонного распада поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ). Показано, что в низкочастотной части спектра ПМСВ повышение порога вызвано интенсивным рассеянием на доменных границах волн-продуктов распада, а в высокочастотной части спектра – невыполнением условий существования распада.

         7. Впервые показана возможность возбуждения магнитостатических волн в пленках одноосных ферритов со структурой шпинели. Показано, что даже при высоких значениях параметра диссипации пленок феррошпинели пространственное затухание МСВ оказывается достаточно слабым, благодаря их высоким групповым скоростям. Повышение групповых скоростей обусловлено повышенной намагниченностью феррошпинели. Показано также, что сильное поле анизотропии пленок феррошпинели обеспечивает возбуждение МСВ даже при нулевых полях.

         Научная и практическая значимость полученных результатов.

         1. Эффекты гибридизации магнитостатических и упругих волн имеют резонансный характер, что является основой построения узкополосных частотно-селективных устройств. В работе предложены варианты конструкций резонансных полосно-пропускающих и полосно-заграждающих магнитоакустических фильтров с добротностью порядка 10⁴.

         2. Эффекты комбинационного рассеяния магнитостатических и быстрых магнитоупругих волн могут быть полезны для преобразования частоты и типа СВЧ сигнала. В частности, могут применяться для преобразования электромагнитного сигнала в звук с понижением частоты на 3-4 порядка.

         3. Показанная возможность электрического управления дисперсией МСВ в структуре феррит-сегнетоэлектрик является основой построения электрически управляемых линий задержки, фазовращателей и фазовых модуляторов СВЧ сигнала.

         4. Обнаружение магнитостатических волн в пленках ЖИГ с доменной структурой демонстрирует возможность значительного снижения намагничивающих полей, вплоть до полного отказа от намагничивания. Это позволяет с одной стороны значительно уменьшить габариты намагничивающих систем, а с другой стороны использовать ненасыщенные пленки ЖИГ в качестве высокочувствительных датчиков слабых полей, например магнитного поля Земли.

         5. Обнаружение магнитостатических волн в пленках марганцевой феррошпинели открывает дополнительную возможность продвижения спинволновых устройств в высокочастотную область СВЧ диапазона.

         6. Показанная возможность высокоэффективного преобразования обменных спиновых волн открывает реальные перспективы создания принципиально нового класса спинволновых устройств.

         Достоверность результатов подтверждается совпадением экспериментальных результатов с теоретическими расчетами, а также воспроизведением и дальнейшим развитием результатов исследований в работах других авторов.

         Работа выполнена в Саратовском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А.Котельникова РАН в рамках фундаментальных и прикладных НИР, а также в рамках хоздоговорных НИР с отраслевыми предприятиями.

         Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на следующих научных конференциях, семинарах и совещаниях:

         Всесоюзная конференция по физике магнитных явлений. – Пермь, 1981г.;

         Всесоюзная научно-техническая конференция по интегральной электронике СВЧ. – Новгород, 1982 г.;

         Всесоюзная школа-семинар по спинволновой электронике СВЧ. – Саратов, 1982 г., Ашхабад, 1985 г.

         Всесоюзный семинар по спиновым волнам. – Ленинград, 1982, 1984, 1986, 1988, 1990, 1992, 1994, 1996 г.г.;

         Всесоюзная конференция по акустоэлектронике и квантовой акустике. – Саратов, 1983 г.;

         Всесоюзная научно-техническая конференция по проблемам интегральной электроники СВЧ. – Ленинград, 1984 г.

         Зимняя школа-семинар по СВЧ-электронике и радиофизике. – Саратов, 1986, 1992, 2009 г.г.

         Международная конференция «Новые магнитные материалы микроэлектроники» - Ленинград, 1984г., Ташкент, 1992г., Москва, 2009г.

         а также на семинарах в:

         Институте физических проблем РАН;

         Институте радиотехники и электроники РАН;

         Московском государственном университете;

         Киевском государственном университете;

         Саратовском государственном университете.

         Публикации. Материалы диссертационной работы изложены в 34 публикациях. Из них 27 статей в научных журналах рекомендованных ВАК для публикации работ докторских диссертаций, 7 авторских свидетельств и патентов на изобретения.

         Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, заключения и списка использованной литературы. Диссертация содержит 284 страницы текста, 98 рисунков, 2 таблицы и списка литературы из 207 наименований.

         Научные положения, выносимые на защиту.

         1. В слоистых ферритовых и феррит-диэлектрических структурах возможна гибридизация волноводных мод электромагнитных, спиновых и упругих волн. Эффекты гибридизации имеют селективный (резонансный) характер и проявляются в аномальном искажении дисперсии связанных мод.

         2. Наиболее узкие полосы селекции (порядка 0,1МГц) возникают на частотах гибридизации магнитостатических волн (МСВ) с акустическими модами Лэмба. Высокая добротность магнитоакустических резонансов стимулирует специфические распады МСВ, порождающие сопутствующие «быстрые» магнитоупругие волны и чисто упругие волны на разностных частотах.

         3. Сильная связь магнитостатических и электромагнитных мод обуславливает появление широких щелей дисперсии, вызывающих значительное повышение групповых скоростей связанных МСВ. При использовании составной структуры феррит-сегнетоэлектрик возникает дополнительная возможность электрического управления скоростью МСВ.

         4. Ионная имплантация пленок ЖИГ обуславливает возможность высокоэффективного (до 80% и более) преобразования энергии обменных спиновых волн (ОСВ) с волновыми числами порядка 10⁵-10⁶см^-1. Возбуждение бегущих ОСВ вызвано вытеканием обменных спиновых мод, возбуждаемых в тонком имплантированном слое магнитостатическими и/или электромагнитными волнами.

         5. Магнитостатические волны могут возбуждаться в доменной структуре пленок ЖИГ при условии значительного превышения длины волны над размерами нерегулярных доменных блоков и ненулевой усредненной намагниченности пленки. Эти условия выполняются в интервале слабых подмагничивающих полей, порядка 3-15Э («окне прозрачности»). Наличие доменной структуры обуславливает гистерезисные свойства МСВ.

         6. В ненасыщенных пленках (в пределах «окна прозрачности») пороги трехмагнонного распада поверхностных МСВ (ПМСВ) значительно возрастают за счет интенсивного рассеяния волн-продуктов распада на границах полосовой и блочной ДС. В слабо насыщенных пленках пороги возрастают в высокочастотной части спектра, где распады ПМСВ на пару обратных объемных МСВ оказываются невозможными.

         7. В докритических (субмикронных) пленках ЖИГ магнитостатические волны могут возбуждаться без внешнего подмагничивания при условии распространения волны в пределах одного изначально крупного доменного блока. В пределах блока МСВ обладают ярко выраженными анизотропными свойствами.

         8. Повышенная намагниченность пленок феррошпинели обуславливает возможность возбуждения магнитостатических волн даже при высоких значениях параметра диссипации. Сильная анизотропия пленок феррошпинели обеспечивает возможность распространения МСВ при полном отсутствии намагничивающих полей.

         Результаты, полученных в диссертационной работе представляют значительный вклад в физику магнитных явлений, имеющий важное прикладное значения.

         Быстрые магнитоупругие волны. Эксперимент

         В данном разделе представлена краткая характеристика опубликованных работ, имеющих непосредственное отношение к данной работе и предшествующих ее проведению. Цель обзора - показать место предлагаемой диссертационной работы среди близких исследований

         Спиновые волны в ферритовых средах. Из большого разнообразия ферритов наибольшее распространение в технике СВЧ получили ферриты-гранаты, а среди них, в особенности, - железо-иттриевый гранат (ЖИГ) (Y3Fe5Ol2). Этим ЖИГ обязан своим уникальным свойствам. Отметим некоторые, наиболее важные из них. По малости магнитных потерь ЖИГ превосходит все известные магнетики - ширина линии ферромагнитного резонанса (ФМР) может достигать 2Д77П0,2Э [18]. ЖИГ является хорошим диэлектриком - его удельное сопротивление р0 = 1012 +1014 Ом/см [2]. ЖИГ прозрачен в инфракрасном диапазоне - на длинах волн Л = 1,1-І- 5,5 мкм имеет коэффициент поглощения у = 0,03 ч- 0,1см-1 [19], и обладает достаточно сильным эффектом фарадеевского вращения плоскости поляризации в видимом диапазоне длин волн - угол поворота до 70рад/см при Я=0.5мкм [20]. ЖИГ является прекрасным звукопроводом — его акустические потери на порядок меньше, чем в монокристаллах кварца [21], его упругие постоянные равны С,2 = 10,77 10й дин I см2, С44 = 7,64 101 дин I см2 [22], и обладает достаточно большой магнитострикцией — константы магнитострикции Ли, = -2,4-10б;Л100 = 1,4-106 [23]. ЖИГ хорошо поддается механической полировке - его класс твердости по 15-бальной шкале равен 7,5 [24] и обладает малым коэффициентом линейного теплового расширения a = l,4-10"6rpafl" [25]. ЖИГ обладает слабо выраженной магнитной анизотропией - первая константа кубической анизотропии Кг «-0,02Э [26,27]. Важно отметить, что все перечисленные свойства ЖИГ проявляются при комнатной температуре. Благодаря малости магнитных потерь, ЖИГ оказался наилучшим материалом для распространения спиновых волн [1,3,19]. В зависимости от доминирующего вида связи спиновые волны разделяются на два типа: обменные СВ и дипольные СВ. Обменные спиновые волны (ОСВ) характеризуются исключительно малыми длинами волн Хосв 1мкм, что обусловлено короткодействующим характером обменного взаимодействия. Типичные скорости ОСВ составляют 104 4-105см/с, что на порядок меньше скорости звука. Дипольные спиновые волны- - в литературе их чаще называют магнитостатические волны (МСВ) - характеризуются гораздо большими длинами волн ЛЛ/СВ 0,14-1мм, что обусловлено дальнодействующим дипольным взаимодействием. Типичные скорости МСВ составляют 10- 4-108см/с, что, однако;, на 3-4.порядка меньше скорости света.

         Обменные спиновые волны могут эффективно, распространяться в ферромагнитных средах. Однако для их возбуждения необходимо было создавать локальные возмущениями магнитного поля с недостижимо малыми размерами - порядка 0,1-0,01мкм. По этой причине ОСВ можно было наблюдать либо в виде продуктов нелинейного распада [28], либо в. виде спинволновых резонансов (СВР) [29,30]. В работе [31] была показана возможность существования связанных дипольно-обменных волн. Эти волны были экспериментально обнаружены в работах [32,33]. О возбуждении и приеме бегущих ОСВ ранее не сообщалось.

         Магнитостатические волны оказались гораздо более доступными. Они легко возбуждались и принимались микрополосковыми преобразователями [34-36] и потому получили наиболее широкое применение.. Однако МСВ могли возбуждаться только в слоистых ферритовых структурах, причем свойства МСВ существенно зависели от геометрии ферритового волновода и ориентации его намагничивания. В дальнейшем нас будут интересовать МСВ в ферритовых слоях, конкретно — в пластинах и эпитаксиальных пленках ЖИГ намагниченных по нормали к поверхности и в плоскости слоя.

         Задача об МСВ в нормально намагниченном слое феррита впервые была рассмотрена Ахиезером, Барьяхтаром и Кагановым [37], а в касательно намагниченном слое - Дейманом и Эшбахом [38]. В случае нормального намагничивания в слое феррита может распространяться в принципе бесконечное число магнитостатических мод, которые обладают положительной групповой скоростью и имеют синусоидальное распределение переменной намагниченности по толщине слоя. Такой тип МСВ принято называть прямыми объемными МСВ(ПОМСВ).

         При касательном намагничивании слоя тип волны определяется ориентацией вектора поля в плоскости слоя. Особо выделяются два крайних случая, когда намагничивающее поле ориентировано» ортогонально и параллельно волновому вектору магнитостатической волны. В первом случае в слое феррита может распространяться одномодовая МСВ с положительной групповой скоростью и экспоненциальным распределением переменной намагниченности по толщине слоя - поверхностная МСВ (ПМСВ). Во втором случае возбуждается множество мод с отрицательной групповой скоростью и синусоидальным распределением намагниченности по толщине слоя - обратные объемные МСВ (ООМСВ). Все типы МСВ могут возбуждаться только в ограниченных интервалах частот. Верхняя и нижняя границы интервалов определяются внешним полем и величиной собственной намагниченности (намагниченности насыщения) феррита.

         Быстрые электромагнитно-дипольные и электромагнитно-дипольно-упругие волны

         Расчеты проводились при следующих параметрах пластины ЖИГ: 4тгМ0=1750Гс; VS,=3,85105CM/C; V,,=7,21105CM/C; р=5,17г/см3; =5,010"3см; 644=168,6; г\и/Сп =2,6 10"15с; TJ4JC44 =3,0 10"16с для поперечных мод Лэмба с номерами 3 # 15 и для продольных мод Лэмба с номерами 2 /с 8. Параметром расчета была ширина линии ФМР ДЯ. Кривая I на рис. 2.4 была рассчитана при АН =0,25Э, кривая II - ДЯ =1,0Э, кривая III - АН =4,0Э. Видно, что в точках магнитоупругого резонанса возникают пики затухания ПОМСВ, причем пики, соответствующие резонансам поперечных мод на 1-2 порядка больше пиков продольных мод. На рис. 2.4 пики, соответствующие резонансам продольных мод показаны только для случая АН =0,25Э (кривая I). В случаях АН =1,0 Э и ДЯ =4,0 Э они не разрешимы в масштабе рисунка. На вставке рис.2.4 показано изменение формы пика затухания в зависимости от ширины линии ФМР: кривая 1 - ДЯ =0,25Э; кривая 2 - ДЯ =0,5Э; кривая 3 - ДЯ =1,0Э; кривая 4 - АН =2,0 Э. Видно, что высота пика от ДЯ меняется не монотонно. Наибольшая высота пика достигается при ДЯ =0Э5Э. Относительная ширина полосы частот магнитоупругого резонанса Дсо/ х 0 составляет 10"5-10"3 (Асо 100 кГц) и от ДЯ зависит также немонотонно. Пики поперечных волн раздвоены, что говорит о разрешимости расщеплений До.

         В касательном поле были рассмотрены варианты возбуждения быстрых МУВ в случаях q ±.Й0 - случай поверхностных МСВ (ПМСВ) и в случае q\\H0 - случай обратных объемных МСВ (ООМСВ). ПМСВ имеет одномодовый характер, направления групповой и фазовой скоростей совпадают. ООМСВ имеет, как и ПОМСВ, многомодовый характер, но ее групповая скорость отрицательна.

         При q _1_ Н0 ПМСВ взаимодействует только с чисто сдвиговой упругой волной, имеющей одну компоненту смещения й\\Н0. Это значительно упрощает вид дисперсионного уравнения, позволяет аналитически рассмотреть не только пластину феррита, но и .двухслойную структуру феррит-диэлектрик, а именно пленку ЖИГ на подложке ГГГ. Быстрые МУВ в касательно намагниченной пластине феррита были рассмотрены в работах [74,151-153], а в двухслойной структуре - в работах [154,155]. Решение последней задачи облегчалось тем, что чисто упругие волны в двухслойной структуре ранее уже рассматривались в работе [156]. По сути, оставалось обобщить этот расчет на случай, когда один из слоев ферромагнитный, что и было сделано. В случае структуры пленка ЖИГ-подложка ГГГ упругие колебания в основном сосредоточены в подложке, а взаимодействие волн носит поверхностный характер. При этом оказалось, что качественно картина перестройки спектров осталась той же, как и- в случае пластины. Оценки величин. Agco и Агоо практически не изменились. Отличие состояло в том, что- из-за отсутствия плоскости симметрии в структуре феррит-диэлектрик правило отбора по принципу четности-нечетности, для взаимодействующих волн не выполнялось. По этой причине пики затухания возникали с номерами мод Лэмба следующими подряд, а не через один, как в случае пластины.

         В случае q\\H0 групповые скорости ООМСВ и .мод-Лэмба имеют в точках пересечения их законов дисперсии противоположные знаки. Это обуславливает эффект так называемой «бездиссипативной фильтрации» [157], который проявляется в том, что возбуждаемые моды Лэмба уносят энергию ООМСВ в противоположную сторону. Поэтому даже при отсутствии диссипации на частотах гибридизации в спектре ООМСВ возникают пики затухания с декрементами

         Интересно, что ветви закона дисперсии гибридных волн в этом случае не расталкиваются, как в предыдущих случаях, а наоборот сливаются в одну ветвь. Никакого оптимального соотношения между диссипацией и взаимодействием в данном случае не существует. С ростом диссипации резонансный пик декремента может только уменьшаться. Принципиально интересен вопрос о влиянии неоднородного обмена на процесс образования быстрых МУВ. В этом случае в ферритовой структуре возможно распространение трех типов волн: двух типов волн намагниченности: дипольных (МСВ) и обменных (спиновых); и упругих волн. Соответственно, возможно три типа парных взаимодействий: дипольно-обменное; дипольно-упругое и обменно-упругое, а также тройное дипольно-обменно-упругое взаимодействие.

         Дипольно-обменное взаимодействие ранее исследовалось теоретически [158-161 ] и было обнаружено экспериментально [162,163]. Оно проявлялось в спектре дипольных волн в виде пиков затухания и искажения законов дисперсии на частотах пересечения дисперсионных ветвей МСВ и обменных спиновых мод. Существенно, что этот тип взаимодействия мог проявляться только при условии закрепления спинов на поверхности ферритовой пленки [29]. Характерно, что ширина обменных пиков значительно (более чем на порядок) превышала ширину дипольно-упругих пиков. Это могло быть обусловлено более сильным механизмом связи дипольных и обменных волн.

         Обменно-упругое взаимодействие исследовалось теоретически в целом ряде работ (см. напр. [3]). Для него характерно то, что преобразование энергии волн могло наблюдаться в безграничном феррите. Однако такого рода взаимодействие из-за различия скоростей носит мгновенный характер и может проявляться в виде дополнительного затухания волн.

         Экспериментально этот эффект ранее наблюдался только в виде спинового затухания звука [3]. Длительное взаимодействие обменных и упругих волн может возникать только при условии фазового синхронизма. Фазовый синхронизм обменных и упругих волн может возникать при взаимодействии их волноводных мод, которые, как было показано выше, могут возбуждаться в слоистой ферритовой структуре.

         Особенности распространения магнитостатических волн в ненасыщенных субмикронных пленках ЖИГ

         Обсуждение результатов эксперимента. Процессы зарождения сателлитов в спектре прошедшего сигнала ПОМСВ имели пороговый характер, что могло быть вызвано распадами исходных волн. Однако качественное различие наблюдаемых спектров указывало на существование, по крайней мере, нескольких различных сценариев распада.

         В области А наблюдались распады быстрых МУВ и ПОМСВ, которые сопровождались возбуждением новой быстрой МУВ на центральной частоте магнитоупругого резонанса. При этом, согласно закону сохранения энергии со = со, +Асо, где ( = 2к/ - круговая частота, должна была возбуждаться еще и третья волна на разностной частоте Асо = со - со,, причем это не могла быть ПОМСВ или быстрая МУВ, поскольку ее частота Асо «0,1-1 МГц была много меньше нижней границы спектра ПОМСВ со , = у(Я0 -4л:М0)« 336МГц. Это также не могла быть электромагнитная волна, поскольку на этих частотах ее длина X«с/Асо« 104см была бы несоизмеримой с размерами образца.

         Оставалось предположить, что в результате распада возбуждалась чисто упругая волна. Это предположение было оправдано тем, что упругие волны могут возбуждаться на сколь угодно низких частотах, и что на данных частотах их длины волн X«v5/Aco 1см были сравнимы с размерами образца. Для проверки этого предположения были проведены дополнительные эксперименты. К обратной стороне подложки ГГГ приклеивался пьезодатчик, который при появлении в спектре боковых сателлитов уверенно регистрировал возбуждение звука с частотой, совпадающей с разностной частотой Асо.

         Установленный факт возбуждения низкочастотного звука объяснял появление в спектре прошедшего сигнала регулярной- серии модуляционных частот co±ft = со ± Асо . Действительно, упругие колебания подложки вызывали

         деформации пленки ЖИГ, которые за счет эффекта магнитострикции создавали в пленке низкочастотные колебания внутреннего поля. Эти колебания модулировали скорость и, соответственно, фазу прошедшего сигнала ПОМСВ. Сложение на выходном преобразователе фазомодулированного сигнала ПОМСВ с опорным сигналом наводки приводило к амплитудной модуляции суммарного сигнала. Понятно, что модулированный сигнал мог иметь множество боковых гармоник по обе стороны от частоты несущего сигнала.

         Заметим, что аналогичные эффекты модуляции МСВ на звуке наблюдались и раньше (см., например [169]), но в прежних экспериментах звук вводился в пленку ЖИГ извне. В наших экспериментах звук возбуждался самопроизвольно, как продукт распада исходной волны. На этом основании можно было говорить о наблюдении автомодуляции в прямом смысле этого слова.

         Распады, которые сопровождались рождением волны-сателлита и возбуждением звука на разностной частоте также были известны. В оптике они получили название «комбинационное рассеяние» [170,171] и описывались нелинейными уравнениями баланса энергии 2со = со + ( о±1 + Aco±s) (2.34) и импульса 2q = q + (q±1+Aqs±l), (2.35) где Acos±1 и Aqs±l - частота и волновой вектор чисто акустической волны. Из уравнений (2.34), (2.35) непосредственно следовали уравнения распадов первого порядка (трехволновые распады) со = со±1 + Асол,±1, (2.36) q = q±l+Aqs±l. (2.37)

         В объемных кристаллах комбинационное рассеяние света рассматривалось с позиции закона сохранения энергии (2.36). При этом экспериментально наблюдалось возбуждение только низкочастотного (стоксового) сателлита со_, = со-Acos±1. Для возбуждения высокочастотного (антистоксового) со+1 = со + Acos±I сателлита необходимо было существование звука на разностной частоте. В наших экспериментах возбуждение антистоксовых сателлитов наблюдалось в интервале Аг без стороннего возбуждения звука. Это указывало на существенное отличие механизма рассеяния быстрых МУВ.

         В случае гибридных магнитоупругих волн распады могли быть вызваны рассеянием упругой или магнитной составляющей быстрой МУВ. Рассеяние упругой составляющей (моды Лэмба) могло быть вызвано рассеянием звука в подложке ГТГ, которое описывается уравнением баланса импульса. Поскольку уравнение баланса импульса записывается в векторном виде, то в результате распада можно ожидать рождение, как стоксовых, так антистоксовых сателлитов. Рассеяние магнитной составляющей (ПОМСВ) могло быть вызвано диссипативными процессами в пленке ЖИГ, которые описываются скалярным уравнением баланса энергии. При этом возможность рождения антистоксовых сателлитов исключается.

         Электрически управляемые линии задержки, фазовращатели и модуляторы СВЧ

         Ширины щелей существенно зависели от силы связи (в нашем случае от толщины зазора dQ). При нулевом зазоре щели на законе дисперсии (рис.3.12) перекрывались, что приводило к слиянию пиков на АЧХ рис.3.6 (кривая 2). При увеличении зазора связь ослаблялась, щели на законе дисперсии сужались (ср. кривые 3,2 на рис.3.7).

         В экспериментах с макетом, как на рис.3.l.b, исследовались те же эффекты t гибридизации, но только с другой позиции- с позиции мод ЭМВ. Эксперименты проводились на частотах возбуждения в пластине ЫБС первой моды ЭМВ, которая- не имеет частоты отсечки. Как и в. предыдущих экспериментах, возбуждение гибридной волны было обнаружено в виде пика затухания на АЧХ, но уже в спектре прошедшего сигнала моды ЭМВ (см. рис.3.8). В данном случае появление, пика было» вызвано возбуждением в пленке ЖИГ связанной ПМСВ. Это подтверждалось ростом частоты наблюдения пика при увеличении- поля Н0, а также исчезновением пика при удалении" пленки ЖИГ. В пределах спектра ЭМВ можно было наблюдать только один пик, что вполне согласуется с одномодовым характером поверхностной МСВ. Характер искажения дисперсии моды ЭМВ, измеренный в полосе частот возбуждения ПМСВ (рис.3.9) в. точности соответствует расчетному (см. рис.3.12).

         Согласно расчетам дисперсионные ветви ПМСВ и моды ЭМВ -непрерывно переходят друг в друга. Однако экспериментально законы дисперсии гибридизованных ПМСВ и мод ЭМВ удавалось измерить только на краях области гибридизации (на краях пиков затухания). Из этих измерений не следовало доказательства существования щелей. Сомнения в их существовании возникали из-за того, что эти расчеты проводились без учета диссипации, хотя в действительности диссипативные процессы присутствуют всегда и зачастую вносят существенные коррективы в идеализированную картину гибридизации. В частности, как было показано в разделе 2, расталкивание ветвей может вообще не наблюдаться. Вместо этого в окрестности точек синхронизма могут возникать аномальные искажения законов дисперсии связанных волн. С ростом диссипации эти искажения могут ослабляться вплоть до полного исчезновения.

         В нашем случае основными источниками диссипативных потерь являлись диэлектрические потери в сегнетоэлектрике и магнитные потери в феррите: Эти потери могут быть учтены в уравнении (3.4) при помощи замен є2 —»s2(l + ztg8) и Н0 - H0 + iAH, где 5 - угол диэлектрических потерь в

         сегнетоэлектрике, ЛЯ - полуширина линии ФМР в феррите. Но, однако, этого было.не достаточно. Дело в том, что на.эффективность взаимодействия влияют все виды потерь, не, только диссипативных. Более серьезные потери могли возникать из-за рассеяния электромагнитной волны на отражающих поверхностях диэлектрического волновода. Иными словами, рассеяние могли вызывать шероховатости и неоднородности толщины пластины сегнетоэлектрика. В, связи с этим к геометрии пластины сегнетоэлектрика предъявлялись дополнительные требования, которые, по аналогии с разделом 2, можно было записать в виде условия1 bd «X, (3.10) где 8d - неоднородность толщины диэлектрического слоя, X - длина волны ЭМВ. Реально уменьшение bd было ограничено технологическими возможностями обработки поверхности сегнетоэлектрика.

         В наших образцах неоднородность толщины пластин сегнетоэлектрика не превышала bd 1 Омкм. Этого оказалось достаточно для наблюдения эффектов гибридизации ПМСВ по крайней мере с низшими модами ЭМВ. Тем не менее, как можно было видеть из сравнения двух наблюдаемых пиков на АЧХ рис.3.6 (кривая 3), эффекты гибридизации наиболее интенсивно проявляются для самой низкой моды ЭМВ - для первой моды. Спад интенсивности с ростом номера моды ЭМВ вполне объясняется усилением влияния эффектов рассеяния. С учетом диссипации и рассеяния волн при увеличении зазора (ослаблении связи) можно было ожидать «замазывания» щелей. В этом случае дисперсионные кривые приобретают непрерывный характер, как показано на вставке рис.3.12. При этом аномальное искажения дисперсии ПМСВ обуславливают значительное уменьшение групповых скоростей, что являлось причиной пикового затухания, которое наблюдалось на АЧХ рис.3.6. (кривая 3). Это непосредственно следовало из известного соотношения где q - пространственный декремент, ш - временной декремент бегущих волн. Соотношение (3.11) имеет смысл только при ненулевых значениях параметра &". С учетом выше сказанного, обсудим влияние подложки ГГГ на условия распространения магнитостатических волн. Согласно предыдущим рассуждениям подложка ГГГ является тем же самым диэлектрическим волноводом, хотя и с меньшим диэлектрическим замедлением (є2 » 10). Это означает, что в подложке также должны возбуждаться связанные моды ЭМВ. С той лишь лишь разницей, что область одномодовой гибридизации должна дополнительно смещаться в сторону малых волновых чисел, а частоты отсечки высших мод ЭМВ - в сторону более высоких частот. В длинноволновой области, при, q 1см"1, условие магнитостатического приближения может не выполняться, но это никак не влияет на процессы гибридизации. Как и в предыдущих случаях, в окрестности точки синхронизма должно возникать расталкивание ветвей, которое, однако, мало влияет на дисперсию коротковолновых ПМСВ в высокочастотной части спектра, но зато обуславливает возможность возбуждения входным

         Похожие диссертации на Эффекты гибридизации электромагнитных, спиновых и упругих волн в слоистых феррит-диэлектрических структурах

         

         Спиновые волны в слоистых структурах на основе слабоанизотропных пленок ферритов гранатовФилимонов Юрий Александрович

         

         Магнитная анизотропия магнитострикция и магнитная структура неодимовых и тулиевых ферритов- гранатов Альмухаметов Рафаил Фазыльянович

         

         Исследование ферритов-шпинелей с фрустрированной магнитной структурой Антошина Любовь Георгиевна

         

         Динамическая самоорганизация доменной структуры и ангерное состояние плёнок ферритов-гранатовРусинов Александр Александрович

         

         Динамика доменных структур и интегральные характеристики перемагничивания пленок ферритов-гранатовЛогунов Михаил Владимирович

         

         Конфигурации динамических доменных структур и процессы перемагничивания в пленках ферритов-гранатов.Пашко Анна Геннадьевна

         Резонансный магнитоэлектрический эффект в композитных планарных структурах ферромагнетик-сегнетоэлектрикФетисов, Леонид Юрьевич

         

         Исследование влияния квантового размерного эффекта на магнитные и магнитооптические свойства тонкопленочных магнитных структурПогребная Ирина Александровна

         

         Магнитная анизотропия и магнитоупругие эффекты аморфных пленок с редкоземельными компонентами и пленочных структур на их основеКулеш Никита Александровича

         Эффект сверхпроводящего спинового клапана и его особенности в тонкопленочных структурах сверхпроводник/ферромагнетикЛексин, Павел Владимирович