Введение к работе
Актуальность темы. Актуальность фундаментальных и прикладных исследований магнитных явлений и волновых процессов в различных магнито-упорядоченных средах и структурах на основе ферритов обусловлена следующими причинами.
Во-первых, анизотропия ферритовых структур дает возможность возбуждать в них спиновые волны с неколлинеарным характером (когда векторы фазовой и групповой скорости неколлинеарны), характеризующиеся отличными от законов геометрической оптики изотропных сред закономерностями распространения, отражения и преломления.
Во-вторых, наличие в самих ферритовых кристаллах различных типов взаимодействий (таких как дипольное, обменное, магнитоупругое, магнитооптическое) [1] позволяет реализовать в этих кристаллах такие эффекты и явления, которые принципиально невозможно реализовать в изотропных средах.
В-третьих, поскольку в последние годы заметное развитие получила технология изготовления метаматериалов, с помощью которых пытаются искусственно создать среды, имитирующие, например, «магнитную стенку» или отрицательные значения диэлектрической и магнитной проницаемостей, то, естественно ожидать, что использование магнитоупорядоченных сред в составе метаматериалов позволит получить искусственные среды и структуры с совершенно новыми, необычными свойствами, которые могут найти применение в твердотельной электронике, радиолокации и при создании новых радиопоглощающих материалов.
В-четвертых, в связи с тем, что недавно рабочие частоты компьютеров, приборов связи и телекоммуникаций достигли СВЧ диапазона, возникают как реальные перспективы использования в указанной технике ряда устройств спинволновой электроники [2], так и необходимость исследования электромагнитной совместимости отдельных устройств в составе различных приборов (к примеру, любой жесткий диск компьютера упрощенно представляет собой плоский ферритовый слой с доменной структурой (ДС), в котором вполне могут возникать различные спин-волновые возбуждения в диапазоне частот 100 -3000 МГц, то есть именно на рабочих частотах процессора).
Из изложенного выше очевидна актуальность исследования различных эффектов, явлений и характеристик волновых процессов в ферритовых пленках и структурах при распространении в них дипольных спиновых волн, называемых обычно магнитостатическими волнами (МСВ).
Целью настоящей работы является экспериментальное и теоретическое исследование закономерностей распространения, отражения и преломления МСВ с коллинеарным и неколлинеарным характером в ферритовых пленках и в различных структурах на их основе, и выявление новых явлений и эффектов для создания устройств СВЧ электроники с новыми функциональными возможностями. Для реализации этой цели указанные закономерности исследованы в различных средах и структурах, а именно: 1) в свободной ферритовой пленке, в том числе для случая, когда пленка помещена в стационарное неоднородное
магнитное поле, амплитуда которого постепенно меняется в направлении распространения волны; 2) в ферритовой пленке, в которой существуют различные типы регулярной доменной структуры (ДС); 3) в структурах, в которых к ферритовой пленке прилегает решетка металлических полосок; 4) в структурах, в которых ферритовая пленка граничит с полупространствами (слоем), имеющими отрицательную диэлектрическую проницаемость; 5) в структурах, в которых на поверхности ферритовой пленки (или на некотором расстоянии от нее) существуют граничные условия типа «магнитной стенки» (тангенциальная компонента СВЧ магнитного поля на поверхности пленки равна нулю).
Особое внимание в данной работе уделено экспериментальному и теоретическому исследованию таких явлений и эффектов анизотропных сред, которые невозможно реализовать в изотропных средах.
Научная новизна и значимость полученных результатов. В области физики магнитных явлений для касательно намагниченных фер-ритовых пленок и структур на их основе впервые: экспериментально и теоретически исследованы
свойства обратной объемной МСВ (ООМСВ) и отражение этой волны от прямого края ферритовой пленки,
преломление поверхностной МСВ (ПМСВ) из свободной пленки в структуру феррит-диэлектрик-металл;
экспериментально исследованы
характеристики МСВ и ДС в эпитаксиальных, ненасыщенных, касательно намагниченных (Ш)-пленках железоиттриевого граната (ЖИГ) с различным полем одноосной анизотропии при их различной кристаллографической ориентации во внешнем магнитном поле
дисперсионная зависимость ПМСВ в структуре ферритовая пленка - решетка проводящих полосок
диаграммы электромагнитного излучения, возникающего из неоднородно намагниченной пленки в результате преобразования ПМСВ в электромагнитную волну;
теоретически исследованы характеристики МСВ в ферритовой пластине, граничащей
со средой, имеющей отрицательную диэлектрическую проницаемость,
со средой, имитирующей граничные условия типа магнитной стенки.
В ходе выполнения перечисленных исследований обнаружены такие физические явления и эффекты, как отрицательное отражение ООМСВ, возникновение двух отраженных лучей ООМСВ, невзаимные свойства неколлинеарной ООМСВ, отрицательное преломление ПМСВ, гистерезис характеристик МСВ и ДС, возникновение из ферритовой пленки эффективного электромагнитного излучения с узкой диаграммой направленности, однонаправленное распространение МСВ во всем частотном диапазоне их существования (когда волна может переносить энергию лишь в одном направлении и принципиально не может - в противоположном).
В области теории волн на основе математического анализа изочастотных
зависимостей сред (или структур) на экстремум сформулированы общие закономерности, которые позволяют установить, сколько отраженных и преломленных лучей возникает при различных углах падения, какой характер отражения и преломления у каждого луча (положительный или отрицательный) и когда отражение или преломление отсутствует.
Для измерения дисперсионной зависимости в двумерных структурах, в которых невозможно использовать метод подвижного зонда, предложен и использован новый метод, основанный на измерении разности фаз при плавном изменении свойств структуры.
Научная и практическая ценность работы состоит в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления как о закономерностях распространения, отражения и преломления волн в целом так и о волновых процессах электромагнитной природы в гиротропных средах и структурах в частности. Установленные в работе теоретически и экспериментально закономерности, явления и эффекты могут быть использованы для разработки принципиально новых приборов (например, антенных устройств, частотно-селективных фильтров, вентилей). Предложенный метод определения дисперсионных характеристик, основанный на измерении фазовых сдвигов, может использоваться в случае, когда невозможно применить метод подвижного зонда.
Достоверность результатов работы определяется использованием обоснованных методов расчета и проведения экспериментальных измерений, применением широко распространенной измерительной аппаратуры и удовлетворительным соответствием основных теоретических положений экспериментальным данным.
Результаты работы, изложенные в диссертационном исследовании, получены во Фрязинском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН в рамках ряда инициативных и фундаментальных НИР, поддержанных грантами РФФИ и Программой фундаментальных исследований РАН «Исследование электрофизических явлений в метаматериалах при прохождении потока электромагнитной энергии». Автор являлся научным руководителем или ответственным исполнителем указанных НИР.
Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались и обсуждались на следующих международных, всероссийских и региональных конференциях и семинарах, а также на научных сессиях Отделений РАН:
Объединенной научной сессии Отделения физических наук РАН и Объединенного физического общества РФ по обратным волнам, 25.01.2006, Москва, конференц-зал Физического Института им. П.Н. Лебедева РАН;
Объединенной научной сессии Отделения информационных технологий и вычислительных систем РАН и Отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления РАН (ОИТВС РАН и ОЭММПУ РАН), 26.12.2006, Москва, Ленинский проспект 32а;
Международной школе-семинаре «Новые магнитные материалы микроэлек-
троники» (НМММ), состоявшейся в России (Москва) в 1994, 1996, 1998, 2002,
2004 и 2006 гг.;
Международном симпозиуме по спиновым волнам (International symposium on spin waves), состоявшемся в России (Санкт-Петербург) в 1996, 1998, 2000 и 2002 гг.;
Международной конференции по СВЧ ферритам (International Conference on Microwave Ferrites (ICMF)), состоявшейся в Болгарии (Gyulechitsa) в 1994 г., в Румынии (Busteni) в 1996 г., в Венгрии (Budapest) в 1998 г.;
Международной объединенной конференции по магнитоэлектронике, состоявшейся в России в 1995 г. (Москва) и в 2000 г. (Екатеринбург);
Международной конференции по спиновой электронике и гировекторной электродинамике, состоявшейся в России (Москва - Фирсановка) в 1997, 2000, 2001, 2002, 2003, 2004 и 2007 гг.;
Международной конференции «Электромеханика, электротехнологии, электротехнические материалы и компоненты» (МКЭЭЭ), состоявшейся на Украине (Крым, Алушта) в 2004 и 2006 гг.;
EPFL Latsis Symposium, Swiss Federal Institute of Technology, Lausanne, Switzerland, February 28 - March 2, 2005;
Moscow International Symposium on Magnetism (MISM-2005). Moscow, June 25-30,2005;
Ежегодной научной конференции института теоретической и прикладной электродинамики (ИТПЭ ОИВТ) РАН, состоявшейся в Москве в 2003, 2004,
2005 и 2007 гг.;
International Conference «Functional Materials» (ICFM). Crimea, Ukraine, October
1 - 6, 2007.
Публикации. Материалы диссертации изложены в 71 публикации, список которых приведен в конце диссертации. В работах, написанных в соавторстве, диссертанту принадлежит постановка всех экспериментов и части теоретических задач, большинство аналитических решений, физическая интерпретация результатов расчета и эксперимента.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка публикаций диссертанта и списка использованной литературы. Диссертация содержит 403 страницы текста, включающих 107 рисунков, 3 таблицы и список литературы из 136 наименований.
Похожие диссертации на Магнитостатические волны в ферритовых пленках и структурах с геометрическими и магнитными неоднородностями
