Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Спектр магнитоупругих волн в продольно намагниченном ферритовом слое 15
1.1 Уравнения феноменологической теории магнитоупругих волн 15
1.2 Постановка задачи и вывод дисперсионного уравнения . 20
1.3 Результаты расчета 23
1.3.1 Снятие вырождения частот отсечки упругих и магнитостатических мод 25
1.3.2 Резонансное взаимодействие магнитостатических и упругих мод 30
1.3.2.1 Быстрые магнитоупругие волны 31
1.3.2.2 Поверхностные магнитоупругие волны 35
1.3.3 Резонансное взаимодействие лэмбовских и сдвиговых упругих мод 35
1.3.4 Тройные резонансы 41
1.3.5 "Сильная" связь 43
1.4 Выводы 47
Глава 2 Влияние металла с конечной проводимостью на спектр магнитоупругих волн в структуре металл-феррит-диэлектрик 49
2.1 Постановка задачи и вывод дисперсионного уравнения . 50
2.2 Результаты расчета 55
2.3 Выводы 63
Глава 3 Осцилляции прохождения поверхностной акустической волны Рэлея в пленках Ga.Sc.-ЖИГ 64
3.1 Экспериментальные макеты и установка 64
3.2 Требования при выборе материала 68
3.3 Осцилляции прохождения при продольном намагничивании 71
3.3.1 "Высокие" поля подмагничивания 78
3.3.2 "Низкие" поля подмагничивания 80
3.4 Поведение осцилляции при повороте магнитного поля . 86
3.5 Выводы 88
Глава 4 Нелинейные эффекты при распространении поверхностных магнитоупругих волн Рэлея в пленках Ga,Sc:>KMr 89
4.1 Нелинейное поведение осцилляции прохождения 89
4.1.1 Изменение величины осцилляции с ростом мощности 91
4.1.1.1 Оценка порогов нестабильности ПМУВ 92
4.1.1.2 "Высокополевые" осцилляции 93
4.1.1.3 "Низкополевые" осцилляции 97
4.1.2 Смещение осцилляции с ростом мощности 97
4.2 Автомодуляция ПМУВ 100
4.3 Магнитное детектирование ПМУВ 100
4.4 Свертка ПМУВ 103
4.4.1 Режим "вынужденной" и "резонансной" свертки 107
4.4.2 Влияние на свертку параметрических нестабильностей 115
4.5 Параметрическое усиление ПМУВ 121
4.6 Выводы 124
Заключение 125
Литература 131
- Резонансное взаимодействие магнитостатических и упругих мод
- Осцилляции прохождения при продольном намагничивании
- Поведение осцилляции при повороте магнитного поля
- Оценка порогов нестабильности ПМУВ
Введение к работе
Одним из актуальных направления в области радиофизики является исследование колебаний и волн в связанных системах. К таким системам можно отнести магнитоупорядоченные кристаллы. В таких кристаллах возможно распространение спиновых и упругих волн. Однако, благодаря магнитоупругому взаимодействию, волны перестают быть чисто спиновыми и чисто упругими, а становятся связанными - магнитоупругими. Впервые на это обратили внимание Туров и Ирхин [1]. Помимо необходимости учитывать этот эффект при изучении спиновых и упругих возбуждений, магнитоупругие волны (МУВ) представляют и самостоятельный фундаментальный интерес. Во многом этот интерес подогревается потенциалом к использованию специфических свойств МУВ (дисперсия, нелинейность, зависимость характеристик от магнитного поля и т.д.) для функциональной обработки высокочастотных сигналов.
Активные исследования динамических магнитоупругих явлений начались в 1958 году с открытия Спенсером и Ле-Кроу [2] параметрического магнитоупру-гого резонанса. В том же году Ахиезер, Барьяхтар и Пелетминский [3] развили теорию связанных МУВ в ферромагнетиках, Киттель [4] опубликовал статью о взаимодействии спиновых и ультразвуковых волн. Вскоре было обнаружено [5], что ЖИГ, известный, на тот момент, как материал, обладающий наиболее узкой линией ферромагнитного резонанса (ФМР), характеризуется чрезвычайно низкими акустическими потерями. Это дало толчок к широкомасштабным исследованиям магнитоупругих колебаний и волн в образцах ЖИГ.
В ранних работах на эту тему исследовалась связь спиновых и упругих волн в безграничном кристалле. Была выполнена масса экспериментов по изучению как линейных, так и нелинейных магнитоупругих эффектов в сферах, стержнях, дисках ЖИГ. Информацию об этих исследованиях можно найти в работах [6-17]. Были предложены различные варианты устройств обработки сигналов на основе МУВ: перестраиваемые линии задержки [12, 13], параметрические усилители [14, 15], устройства сжатия спектра [16] и др.
В дальнейшем основное внимание исследователей сконцентрировалось на исследовании таких МУВ, для которых принципиальную роль играют граничные условия. Этому прежде всего способствовало активное исследование и практическое применение для обработки сигналов поверхностных акустических волн (ПАВ). Соответственно, на первом этапе преобладал подход с точки зрения акустики - изучалось влияние магнитоупругого взаимодействия на свойства ПАВ.
В работе [17] была показана возможность существования на поверхности ферромагнетика магнитоупругого аналога ПАВ Гуляева-Блюстейна. Волна типа Рэлея в ферритовом полупространстве впервые была рассмотрена в работе [18], а впоследствии для различных геометрий намагничивания в целом ряде работ [18-25]. Было исследовано влияние металлизации поверхности [20, 21], диссипации [22-25] и неоднородного обмена [25] на свойства поверхностной маг-нитоупругой волны (ПМУВ) Рэлея. Обсуждались невзаимные свойства ПМУВ и влияние анизотропии [22].
В последующих работах геометрия задачи усложнялась. Были рассмотрены МУВ в ферромагнитном слое при касательном [26, 27] и нормальном [28] намагничивании. В работах [29, 30] были исследованы ПМУВ Лява в контактной структуре пленка на полубесконечной подложке в случае, когда материал пленки или подложки является ферромагнетиком, обсуждалось влияние металлизации. ПМУВ Рэлея и Лява в структуре типа ферромагнитная пленка на полубесконечной диэлектрической подложке с учетом неоднородного обмена при произвольной ориентации намагничивающего поля в плоскости пленки были рассмотрены в работе [31]. Была проанализирована также возможность усиления ПМУВ Лява [32, 33] и Рэлея [34] за счет взаимодействия с электронами в структурах типа ферромагнетик-полупроводник. В работе [35] обсуждалась волна типа Стоунли на границе двух ферромагнитных полупространств. Щелевые ПМУВ в полуограниченных ферромагнетиках рассматривались в работах [36, 37].
Экспериментальные исследования ПМУВ проводились с использованием пластин [38-41], а также пленок [41-45] ЖИГ, выращенных на диэлектрических
подложках. Работы, как правило, носили прикладную направленность и имели целью использовать специфические свойства ПМУВ для расширения функциональных возможностей и повышения эффективности устройств на ПАВ. Изучалась возможность использования магнитострикции для возбуждения ПАВ в ферритах [38, 41]. Была продемонстрирована возможность создания невзаимных устройств на ПМУВ [42, 43]. Зависимость фазовой скорости ПМУВ от магнитного поля предлагалось использовать для создания перестраиваемых генераторов [43] и датчиков магнитного поля [45]. Исследовалась также возможность использования нелинейности ПМУВ для эффективной свертки [40, 43] и параметрического усиления [44] сигналов.
Развитие технологии получения высококачественных пленок ЖИГ на диэлектрических подложках и активные исследования длинноволновых диполь-ных спиновых волн, называемых еще магнитостатическими волнами (МСВ), способствовали развитию еще одного направления в исследовании МУВ. Дело в том, что слой твердого тела представляет собой акустический волновод, который характеризуется многомодовым спектром упругих волн. Упругие моды такого волновода обладают сильной дисперсией и могут иметь очень большую фазовую скорость. Благодаря этому возможен резонанс этих мод с МСВ и образование, так называемых, быстрых МУВ [46].
Впервые возможность существования таких МУВ была показана еще в работе [26] для касательного намагничивания. Однако активное исследование быстрых МУВ началось пожалуй с работ [47, 48]. В работе [47] были впервые детально проанализированы особенности спектра быстрых МУВ в нормально намагниченной ферромагнитной пластине, а в экспериментальной работе [48] такие МУВ были обнаружены.
В дальнейшем особенности спектра быстрых МУВ теоретически исследовались как в случае нормального намагничивания [49, 50], так и касательного намагничивания перпендикулярно направлению распространения волн [50-56]. Было изучено влияние процессов диссипации [49, 50, 55] и неоднородного обмена [50, 53]. Кроме того, были рассмотрены быстрые МУВ в структуре ферромагнетик-диэлектрик [50, 53], а также металлизированных слоистых
структурах [50, 51, 56]. Обсуждалось и влияние электронов на распространение быстрых МУВ в структурах ферромагнетик-полупроводник [50, 52].
Подробное экспериментальное исследование быстрых МУВ в нормально намагниченных пластинах и пленках ЖИГ было выполнено в работе [57], где изучались также нелинейные эффекты и особенности формирования быстрых МУВ в пленках ЖИГ с доменной структурой. В работах [58, 59] наблюдались быстрые МУВ при намагничивании пленки ЖИГ касательно перпендикулярно направлению распространения МСВ. Сравнение эффективности гибридизации различных типов МСВ с упругими модами, а также исследование прохождения быстрых МУВ в структурах феррит-полупроводник и феррит-металл проводилось в работе [60]. Выполненные исследования показали возможность использования быстрых МУВ для узкополосной фильтрации сигналов, различные конструкции таких фильтров были предложены в работах [57, 60]. Следует также отметить, что помимо экспериментов с бегущими МСВ, возбуждение МУВ в тонкопленочных структурах исследовалось и методом ФМР - см., например, [61-63].
Для наблюдения быстрых МУВ необходимо было обеспечить высокое акустическое качество тонкопленочных образцов. Предъявляемым при этом требованиям [46] удовлетворить тем легче, чем ниже частота. Поэтому во многих экспериментах с быстрыми МУВ [58, 60] использовались легированные пленки ЖИГ с пониженной намагниченностью, которые обеспечивали возможность возбуждения МСВ на существенно более низких частотах, чем в чистом ЖИГ. Следует отметить, что ранее [42, 43] на предпочтительность легированных пленок ЖИГ в экспериментах с МУВ указывалось также и при исследовании ПМУВ. В этом случае требование к снижению частоты магнитоупругого резонанса обусловлено тем, что на более низких частотах значительно легче эффективно возбуждать ПАВ в ферритовых пленках.
Другая причина затрудняющая реализацию эффективного взаимодействия МСВ с упругими модами на высоких частотах - уменьшение длины акустической волны, что влечет за собой необходимость использовать в эксперименте пленки субмикронной толщины, либо осуществить сильно неоднородное по
толщине пленки распределение высокочастотной намагниченности МСВ [59]. Последнее возможно в условиях спин-волнового резонанса (СВР), когда МСВ взаимодействует с обменными спиновыми модами [64]. Сосуществование обменных и магнитоупругих осцилляции прохождения МСВ было предсказано в работе [53]. В работе [59] этот эффект впервые наблюдался экспериментально, было отмечено улучшение гибридизации МСВ с упругими модами на частотах СВР. Подробнее вопрос о взаимном влиянии взаимодействия МСВ с обменными и упругими модами экспериментально изучался в работе [60]. Впоследствии это направление исследования МУВ получило продолжение в работах [65-68]. В работах [69, 70] была продемонстрирована возможность эффективной генерации ультразвука на частотах до 20 ГГц за счет взаимодействия обменных и упругих мод в пленках ЖИГ с неоднородным распределением магнитных параметров по толщине.
Довольно активно исследовалось также взаимодействие МСВ с распространяющимися акустическими волнами в пленках ЖИГ. Теоретически этот вопрос рассматривался в работах [71-74], экспериментальные исследования проводились в работах [75-78].
Проводились исследования магнитоупругих эффектов и в других материалах - см., например, обзоры [11, 79-81]. Особо, пожалуй, следует выделить материалы с сильной магнон-фононной связью, такие как гематит, где благодаря эффективному энгармонизму, МУВ обладают сильной нелинейностью [80]. Такие материалы играют заметную роль в нелинейной магнитоакустике и наряду с ЖИГ активно используются в исследованиях и в настоящее время.
Данная диссертация посвящена изучению МУВ в пленках Ga, Sc - замещенного железоиттриевого граната (Са,5с:ЖИГ) с низкой намагниченностью. Основное внимание уделяется эффектам, связанным с многомодовым характером спектров МСВ и упругих волн, присущим тонкопленочным волноводам.
Одним из проявлений многомодовости спектра упругих волн является формирование быстрых МУВ, что сопровождается осцилляциями прохождения МСВ в условиях резонанса с упругими модами различных номеров. Аналогичный эффект следовало ожидать и для ПМУВ Рэлея, когда взаимодействие
с модами MCB различных номеров сопровождается осцилляциями прохождения ПАВ Рэлея. На это указывалось в работе [31], однако экспериментальных подтверждений этому до сих пор не было. В связи с этим в задачу работы входило экспериментально обнаружить и изучить этот эффект.
Решение указанной проблемы во многом зависело от адекватного выбора материала. Основную роль при этом играют два фактора: возможность эффективно возбуждать ПАВ Рэлея и возможность реализовать резонанс ПАВ с модами МСВ различных номеров. Минимальная частота МСВ определяется полями магнитной анизотропии и в пленках чистого ЖИГ составляет > 500 МГц. Осуществить эффективное возбуждение ПАВ в ферритовых пленках на таких частотах довольно затруднительно. Именно поэтому предпочтение было отдано пленкам Са.БсіЖИГ, обладающим низкими намагниченностью и полями магнитной анизотропии, которые характеризуются значительно более низкими частотами МСВ [60, 82].
Актуальным является поиск и других проявлений многомодовости в тонкопленочных волноводах. В качестве реализации такой задачи в работе проанализированы основные особенности спектра МУВ ферритового слоя, намагниченного вдоль распространения волн. Выбрана наименее изученная геометрия намагничивания (ранее в такой геометрии анализировался лишь спектр ПМУВ Рэлея [27, 31]), которая в то же время позволяет в полной мере отразить все основные проявления многомодовости спектра. В качестве немаловажного обстоятельства следует отметить также то, что на основе полученных данных можно представить полную картину спектра МУВ, тогда как ранее, как правило, рассматривались лишь отдельные его участки.
Теоретические исследования спектра МУВ в металлизированных структурах ранее проводились лишь в приближении идеальной проводимости металла [20, 21, 30, 56]. Между тем известно [83], что проводимость металла может играть существенную роль в формировании характеристик МСВ в металлизированных структурах. В связи с этим актуален вопрос: как это отражается на характеристиках МУВ? В работе этот вопрос анализируется применительно к быстрым МУВ в металлизированной структуре феррит-диэлектрик при на-
магничивании, отвечающем распространению в феррите поверхностной МСВ (ПМСВ), наиболее "чувствительной" к наличию металла [84].
Уже в ранних работах по исследованию МУВ большой интерес был проявлен к нелинейным эффектам. Главным образом интерес был с точки зрения акустики — нелинейность МУВ значительно превосходит нелинейность упругих волн, и это может быть использовано для создания более эффективных аналогов нелинейных акустических устройств. Поэтому в работе значительное внимание уделяется исследованию нелинейных эффектов применительно к ПМУВ Рэлея в пленках Ga,Sc:>KI/ir, таких как свертка, параметрическое усиление. Исследуются также и эффекты, связанные с развитием параметрической нестабильности ПМУВ.
В соответствии с полученными результатами на защиту выносятся следующие научные положения:
В ферритовом слое в области спектра, отвечающей сгущению упругих мод, возможна реализация "сильной" связи, когда соседние магнитоупругие ре-зонансы перекрываются, образуя единый резонанс с участием нескольких упругих мод. Такой резонанс характеризуется трансформацией лэмбовских мод в сдвиговые и наоборот, а также снижением резонансного поглощения для всех упругих мод, за исключением одной.
Лэмбовские и сдвиговые упругие моды способны резонансно взаимодействовать за счет магнитострикции. Эффективность такого взаимодействия существенным образом определяется высокочастотной магнитной восприимчивостью и в условиях близости резонанса к частоте однородного ферромагнитного резонанса может становиться сравнима с эффективностью взаимодействия магнитостатических и упругих мод.
Резонансное взаимодействие лэмбовских и сдвиговых упругих мод в фер-ритовых слоях, а также поверхностной магнитостатической волны с упругими модами в металлизированных ферритовых структурах может характеризоваться коэффициентом связи волн 5 с существенной мнимой частью (<5 = 5' + і -6", \S'\ ~ |<5"|) и сопровождаться расталкиванием частотных зависимостей пространственных декрементов.
При прохождении ферритовой пленки поверхностная акустическая волна Рэлея испытывает осцилляции декремента и дисперсии в полях, отвечающих резонансам с модами обратной объемной магнитостатической волны различных номеров. Применительно к пленкам Ga, Sc - замещенного железоиттриевого граната с магнитной анизотропией типа "легкая плоскость" можно наблюдать осцилляции обусловленные взаимодействием с магнитостатическими модами как низшими (дипольными), так и высоких номеров (обменными).
Нестабильность поверхностной магнитоупругой волны к возбуждению параметрических спиновых волн приводит к уменьшению величины резонансных осцилляции прохождения и их сдвигу в область более низких полей, а также ограничивает эффективность свертки и параметрического усиления поверхностной магнитоупругой волны. В условиях резонанса с дипольными модами обратной объемной магнитостатической волны порог нестабильности определяется четырехмагнонными процессами, тогда как при резонансах с обменными модами — трехмагноными процессами.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка цитируемых источников. В конце каждой главы имеется раздел "выводы", в котором суммируются результаты, полученные в данной главе.
Резонансное взаимодействие магнитостатических и упругих мод
В условиях фазового синхронизма, которым отвечают точки пересечения дисперсионных кривых на рис. 2, магнитостатические и упругие моды взаимодействуют резонансно. Правило отбора накладываемое симметрией задачи приводит к тому, что моды ООМСВ взаимодействуют со сдвиговыми и продольными лэмбовскими модами той же симметрии и с поперечными лэмбовскими модами противоположной симметрии. Следует отметить, что в случае "слабой" магнитоупругой связи, совокупность резонансов распадается на резонансы ООМСВ со сдвиговыми или лэмбовскими модами. В этом случае уравнение (30) сводится к паре уравнений для резонансов ООМСВ со сдвиговыми модами, и для резонансов ООМСВ с лэмбовскими модами. Считая отклонения частоты 6ш и волнового числа 5q от точек резонанса (w ,q ) малыми (5ш Си , Sq «С q ), уравнения (39) и (40) можно свести к виду [46] где Vgm и vge - групповые скорости ООМСВ и упругой волны на частоте резонанса, Тто и Те - пространственные декременты ООМСВ и упругой волны на частоте резонанса (с учетом нерезонансных магнитоупругих добавок), $wme — адм ам(ь) - характеризует величину магнитоупругой щели в точке резо-нанса Ад = 0 в отсутствии потерь Тт = Те = 0. Отличительной особенностью выбранной геометрии намагничивания является то, что магнитостатические и упругие моды, как правило, имеют противоположные знаки групповых скоростей в местах фазового синхронизма.
Как следствие, результатом их взаимодействия становится образование полос "непропускания" в спектре [95]. Следует отметить, что ранее такая ситуация уже обсуждалась применительно к резонансному взаимодействию ПМСВ с упругими модами в слоистой металлизированной структуре [51, 56]. Свойственное ей поведение дисперсии и затухания волн продемонстрировано на рис. 6 на примере резонанса моды ООМСВ номера т = 0 с продольной модой Лэмба номера I = б (область С на рис. 2). Видно, что в отсутствии диссипации дисперсионные кривые взаимодействующих волн расталкиваются, формируя полосу "непропускания" J/ e 5/me» в пределах которой волны находятся в синхронизме и затухают, имея максимальный декремент на частоте синхронизма. Отрицательные значения декремента соответствуют ООМСВ и отражают тот факт, что ее групповая скорость направлена против оси х. При наличии диссипации расталкивание дисперсионных кривых сменяется появлением аномальных участков, а дополнительное резонансное затухание волн уменьшается. В области спектра, отвечающей быстрым МУВ (vp » vs, где vp — фазовая скорость МУВ, vg — скорость звука среды), возможна также ситуация, когда направления групповых скоростей взаимодействующих магнитостатической и упругой мод совпадают. Поведение дисперсии и затухания взаимодействующих волн в этом случае иллюстрирует рис. 7, где показана область резонанса моды ООМСВ номера т = 0 с поперечной модой Лэмба номера t = 11 (область D на рис. 2). Видны особенности типичные для взаимодействия волн с одинаковым направлением групповых скоростей [46].4 При этом наличие диссипации практически не сказывается на поведении дисперсионных кривых взаимодействующих волн, что говорит об эффективной связи этих волн. Как показывают расчеты, чтобы расталкивание дисперсионных кривых сменилось на аномальные участки в данном случае требуется увеличение магнитных потерь в 3 раза или упругих потерь в 200 раз.
Следует отметить также, что при выбранных параметрах потери ООМСВ превышают потери упругой моды и взаимодействие приводит к понижению затухания ООМСВ и повышению затухания упругой моды. Такая ситуация является характерной для рассматриваемого диапазона частот. В качестве меры эффективности взаимодействия упругих и магнитостатиче-ских волн использовалась величина частотной раздвижки дисперсионных кривых в точке резонанса в отсутствии диссипации — 5fme (см. рис. 6). В табл. 1 приведены величины Sfme для участка спектра быстрых МУВ, отвечающие взаимодействию с модами ООМСВ номеров т = 0,1. Видно, что наиболее эффективно с модами ООМСВ взаимодействуют поперечные моды Лэмба. Это объясняется тем, что коэффициент связи ООМСВ с поперечными лэмбовски-ми модами в уравнениях движения (19) пропорционален xb, тогда как связь с продольными лэмбовскими и сдвиговыми модами qb и в области быстрых МУВ (х;» q) оказывается намного слабее. В то же время, если к резонансу поперечной моды Лэмба оказывается близок резонанс с продольной лэмбовской модой, то последняя также эффективно взаимодействует с ООМСВ. Связано это с изменением соотношения между продольной и поперечной компонентами смещений в лэмбовских модах. Указанные закономерности подтверждают и частотные зависимости пространственного декремента ООМСВ показанные на рис. 8, где видны осцилляции, отвечающие резонансам с поперечными модами Лэмба, а также осцилляции, отвечающие резонансам с теми продольными модами Лэмба, частоты которых близки к резонансам поперечных мод. Из рис. 8 видно также, что резонансные добавки в декремент ООМСВ наиболее существенны в верхней части спектра. Принимая во внимание отсутствие подобной закономерности для 6fme в табл. 1, такое поведение следует отнести к влиянию процессов диссипации.
Осцилляции прохождения при продольном намагничивании
При измерениях как в импульсном, так и непрерывном режимах для всех исследованных образцов в интервале полей, отвечающих фазовому синхронизму ПАВ Рэлея с модами ООМСВ, наблюдалось дополнительное поглоще ние ПАВ. Зависимости дополнительного поглощения ПАВ Ад от величины магнитного поля при ориентации поля параллельно распространению ПАВ {в = О, р = 0 или 180) показаны на рис. 23-31. Все зависимости получены в непрерывном режиме возбуждения при входной мощности Р 0.4 мВт, за исключением зависимости, представленной на рис. 29, которая получена при Р — 4 мкВт. Пунктиром отмечен уровень прямой электромагнитной наводки. Видно, что применительно к пленкам с анизотропией "легкая плоскость", как правило, существует два интервала полей, отвечающих заметному росту поглощения ПАВ: Н\ « 0...10 Эй Яг w 15...45 Э. Исключение составляет образец №6, для которого не наблюдалось заметного поглощения ПАВ в области полей НІ (рис. 28). В интервале полей Hi дополнительное ослабление, как правило, представляло собой серию осцилляции, величина которых спадала с уменьшением поля. Исключение составляли образцы №3 и 8. В образце №3 дополнительное поглощение в области Hi имело вид единого, широкого по магнитному полю ( 10 Э) пика (рис. 24), тогда как в образце №8 наблюдался лишь один "узкий" ( 2 Э) в основании пик поглощения (рис. 30). По характеру особенностей, наблюдавшихся в области Ни можно выделить две типичных ситуации. Первая наблюдалась для образцов №4 и 3 , и отвечала одиночному пику поглощения в интервале полей 0...2 Э (рис. 25 и 26). Вторая - поглощению ПАВ в интервале полей 2...10 Э. Причем в последнем случае дополнительное ослабление, как правило, имело вид осцилляции - см., например, рис. 29, где это выражено наиболее ярко.
В образце №9 с анизотропией "легкая плоскость" при 20 Я0 70 Э наблюдались осцилляции дополнительного ослабления ПАВ аналогичные осцилля-циям, наблюдавшимся в пленках с анизотропией "легкая плоскость" в интервале полей Н2. При Но 20 Э осцилляции сменялись широким пиком поглощения простирающимся вплоть до нулевого поля. Зависимости А#(Н0) не меняли своего характера при смене направления намагничивания с 9 = 0 на 9 = 180 (см. рис. 23), а также при смене направления распространения ПАВ на противоположное. Однако значения магнитных полей, отвечающих максимальному дополнительному поглощению могли не совпадать на величину » 1...2 Э. По-видимому, это следствие проявлений анизотропии. В непрерывном режиме возбуждения при полях, отвечающих осцилляци-ям дополнительного ослабления, наблюдались изменения в фазе выходного сигнала Аф (см. рис. 26, 28 и 30), а в импульсном — изменения в задержке прошедшего импульса ПАВ. Последнее анализируется в следующей главе при обсуждении свертки ПМУВ. Осцилляции поглощения в интервале полей Н2 естественно связать с резонансным взаимодействием ПАВ с модами ООМСВ низких номеров. В этом интервале, как правило, наблюдалось не более трех осцилляции дополнительного ослабления ПАВ, величина которых падала с уменьшением магнитного поля, что соответствует увеличению номера моды ООМСВ. Этот факт находится в согласии с теорией (см. раздел 1.3.2.2) и отражает соответствующее поведение интеграла перекрытия волновых полей взаимодействующих волн. При этом следует отметить, что в такой структуре как пленка-подложка, в отличие от ситуации, рассмотренной в главе 1, отсутствуют правила отбора на взаимодействие, связанные с симметрией распределения волновых полей по толщине структуры. Поэтому ПАВ Рэлея взаимодействует с модами ООМСВ различной четности. В табл. 4 для нескольких образцов указано положение осцилляции по полю.
Там же приведены значения полей щт\ отвечающие резонансам ПАВ с модами ООМСВ различных номеров т, рассчитанных в безобменном приближении с учетом одноосной магнитной анизотропии. Значение поля анизотропии подбиралось исходя из наилучшего совпадения расчетных данных с экспериментальными. При этом следует отметить, что имелось хорошее количественное соответствие между значениями поля магнитной анизотропии подобранными таким образом и полученными из анализа частотного положения зон прохождения МСВ. Например, для образца №1, учитывая толщину ферритовой пленки, верхняя граница АЧХ, показанной на рис. 22, должна быть достаточно близ ка к верхней частотной границе fs существования ПМСВ. Предположив, что в пленке имеется только одноосная анизотропия из выражения для fs [100]
Поведение осцилляции при повороте магнитного поля
Еще одним доказательством того, что обнаруженные осцилляции являются результатом взаимодействия ПАВ с модами ООМСВ различных номеров, может являться поведение осцилляции при развороте намагничивающего поля. Рис. 34 демонстрирует такое поведение при развороте магнитного поля от касательного намагничивания (0 = 0) к нормальному (в = 90) при ip = 0 (случай касательного намагничивания для данного образца показан на рис. 23). Видно, что при увеличении угла 9 осцилляции смещаются в область больших полей, ширина осцилляции по полю, а также интервал между ними увеличиваются. Все это находится в качественном согласии с теорией. Количественная оценка проводилась для "высокополевых" осцилляции при том же значении поля одноосной анизотропии, что и для касательного намагничивания. Результаты приведены в табл. 6. Видно, что экспериментальные данные хорошо согласуются с результатами расчета - ошибка не превышает 40 %, причем такой величины она достигает лишь для мод с высокими номерами (m = 3,4). Исследовалось также поведение осцилляции при развороте поля в плоскости пленки от продольного намагничивания ( р = 0) к поперечному {ip = 90). При этом, в противоположность предыдущему случаю, наблюдалось смещение осцилляции в область более низких полей. Интервал между осцилляциями уменьшался, и при некотором значении (р соседние осцилляции начинали перекрываться, формируя единый пик поглощения. На фоне этого происходило уменьшение величины осцилляции. Указанное поведение резонансных полей при изменении ip согласуется с представлениями о соответствующем поведении спектра ООМСВ [93]. Уменьшение величины осцилляции при увеличении р связанно с соответствующим увеличением потерь ООМСВ вследствие снижения групповой скорости, и как следствие с падением эффективности взаимодействия ПАВ с ООМСВ. Следует отметить, что именно такое поведение осцилляции при развороте магнитного поля в плоскости пленки демонстрировалось ранее в расчетах [31]. Таким образом основные результаты данной главы сводятся к следующему: 1. Впервые экспериментально обнаружены и исследованы осцилляции декремента и фазовой скорости ПАВ Рэлея, обусловленные резонансным взаимодействием с модами ООМСВ различных номеров. 2.
В пленках Єа.БсіЖИГ с анизотропией легкая плоскость могут наблюдаться осцилляции, отвечающие взаимодействию ПАВ как с низшими дипольны-ми модами ООМСВ, так и с модами ООМСВ высоких номеров - обменными модами. Как известно, ПМУВ, формирующаяся в результате резонансного взаимодействия ПАВ Рэлея с МСВ, обладает значительно большей нелинейностью по сравнению с ПАВ, благодаря существенной нелинейности магнитной подсистемы. Это свойство ПМУВ может быть использовано для эффективной нелинейной обработки сигналов такой, как свертка, параметрическое усиление. Ранее эти эффекты применительно к пленкам ЖИГ исследовались в работах [43, 44]. Кроме того нелинейность может проявляться в развитии параметрической нестабильности ПМУВ. При этом особенности поведения ПМУВ за порогом параметрической нестабильности ранее не были исследованы. В данной главе исследуются нелинейные эффекты, связанные с развитием параметрической нестабильности ПМУВ, а также явления свертки и параметрического усиления ПМУВ применительно к пленкам Ga,Sc: KMr. При изменении входной мощности наблюдались изменения в картине осцилляции дополнительного ослабления ПАВ Рэлея, вызванных резонансным взаимодействием с модами ООМСВ различных номеров. При увеличении мощности осцилляции смещались в область более низких полей, а их величина уменьшалась. Такое нелинейное поведение было присуще как "высокополевым", так и "низкополевым" осцилляциям, что демонстрируют рис. 35 и 36, где представлены зависимости дополнительного поглощения ПАВ при различных уровнях входной мощности в случае продольного намагничивания структур.12 В противоположность этому, поглощение ПАВ, идентифицируемое как доменное, довольно слабо зависело от уровня входной мощности — см. вставку к рис. 36. Следует отметить, что ранее уже указывалось на нелинейное поведение поглощения ПАВ в пленках ЖИГ [44], однако причины его не анализировались. Все дальнейшее обсуждение нелинейных эффектов будем проводить применительно к продольной геометрии намагничивания. Из двух указанных нелинейных эффектов наиболее ярким было изменение величины осцилляции. Данный эффект не сопровождался заметными изменениями в потерях ПАВ вдали от резонанса с ООМСВ и обладал ярко выраженным пороговым характером.
Первое указывает на то, что нелинейное поведение величины осцилляции, которое естественно трактовать как изменение эффективности взаимодействия ПАВ с ООМСВ, связанно исключительно с магнитной подсистемой. При этом, учитывая пороговый характер эффекта, естественно предположить, что причиной падения эффективности взаимодействия является нестабильность, связанная с возбуждением параметрических спиновых волн (ПСВ). Действительно такая параметрическая нестабильность, как известно [8], приводит к снижению высокочастотной магнитной восприимчивости х- При этом уменьшается амплитуда высокочастотной намагниченности т ПМУВ, которая связана с магнитострикционным полем ПАВ hme через соотношение:
Оценка порогов нестабильности ПМУВ
Для оценки пороговой мощности ПМУВ Рр предположим, что в резонансе она делится поровну между упругой Ре и магнитной Рт подсистемами Считая, что энергия ПМУВ аналогично ПАВ локализована в основном в слое толщиной Ля [94], и пренебрегая для простоты неоднородностью распределения энергии в этом слое, при Ля d можно записать где тп0р — пороговая амплитуда высокочастотной намагниченности, которую, в свою очередь, можно связать с пороговым значением угла прецессии намагниченности Фпор с помощью соотношения [85]: Величина порога Ф„ор определяется порядком параметрической нестабильности [104]: чем выше порядок, тем выше Фпор, а следовательно и Р„"р. При этом требование удовлетворить законы сохранения энергии и импульса в результате распада сигнала накачки на ПСВ приводит к тому, что возможность развития параметрической нестабильности того или иного порядка определяется положением сигнала накачки относительно спектра спиновых волн. Если частота накачки, в данном случае /я, удовлетворяет условию то возможной оказывается параметрическая нестабильность первого порядка - трехмагнонная (ЗМ) нестабильность с законами сохранения где /і и /г - частоты, а дї и q2 - волновые вектора ПСВ. Такая ситуация реализуется при полях отвечающих "низкополевому" поглощению ПАВ. Если же условие (85) не выполняется, то наиболее низкому порядку из разрешенных параметрических нестабильностей отвечает четырехмагнонная (4М) нестабильность с законами сохранения
Такая ситуация характерна для "высокополевых" осцилляции. Для пороговых значений угла прецессии, отвечающих ЗМ и 4М процессам, можно записать [85 Соответственно для пороговых мощностей ПМУВ, отвечающих этим двум типам нестабильности, при параметрах пленки 47гМ0 cz 250 Гс, АН 0.5 Э и прочих параметрах отвечающих эксперименту получим На рис. 37 показаны зависимости величины осцилляции от уровня входной мощности для некоторых образцов. Зависимости представлены для двух случаев, соответствующих противоположному направлению распространения ПАВ, то есть подаче мощности либо на один (Pi), либо на другой (Р2) ВШП. Отражены ситуации, отвечающие взаимодействию ПАВ как с низшей модой ООМСВ (т = 0), так и с модами более высокого порядка (т = 1,2). Видно, что зависимости Ад(Р) для различных т качественно схожи — при превышении некоторых пороговых значений Рпор, для ориентира отмеченных штриховыми линиями, величина осцилляции уменьшается. Нетипичное поведение А${Р) на рис. 37в, где падению величины осцилляции предшествовало ее увеличение, можно связать с влиянием на результаты измерений интерференции сигнала ПАВ с прямой электромагнитной наводкой, уровень которой в данном случае был сопоставим с Ау. При этом в качестве пороговой мощности следует принять значение, отвечающее появлению изменений в Ау1 . С увеличением номера резонанса т пороговая мощность повышалась (см. рис. 37а и б). Это объясняется тем, что при увеличении т эффективность взаимодействия ПАВ с ООМСВ падает и доля магнитной энергии в ПМУВ уменьшается (Ре Рт). Как следствие требуется большая мощность ПАВ для достижения порога. Пороговые мощности Pnopi и Рпор2, отвечающие подаче сигнала на разные ВШП, могли значительно отличаться (см. рис. 37в). Наиболее естественной причиной указанного отличия является неодинаковая эффективность возбуждения ПАВ в ферритовой пленке за счет неидентичности акустических контактов. В пользу такого объяснения в частности свидетельствует то, что отношение пороговых мощностей Pi/A не менялось с изменением т (см. рис. 37а).
Значения Pnopi и Рпор2 могут быть использованы для пересчета мощности Р на входе макета в мощность ПАВ Рвп на входе в ферритовую пленку. Действительно, считая пороговую мощность ПМУВ не зависящей от направления распространения (Р2Р = Ppi = n"p2) в пренебрежении акустическими потерями в І_іІ\ІЬОз и ЖИГ можно записать
