Введение к работе
Актуальность темы и цель диссертации. Исследования колеба-тЛ и волн в магнитоупорядоченных кристаллах образуют один из бунда :нтальных и традиционных разделов радиофизики. Высокочастотным свойствам магнетиков посвящена обширная литература 'см., например, j_JII-JI4j /. Детально исследованы однородный' іерромагнитннй резонанс, неоднородные колебаний в ограниченных ібразіцах /"уокеро'вские моды"/, поверхностный импеданс магнетиков, лектромагнитные волны а ферритах ив линиях передачи с ферритом. дкако с середины семидесятых годов ориентация работ, посвящен-щ высокочастотным явлениям в магнетиках, изменилась. Центр тя-эети исследований переместился, камагнито статические-волны по.сложившейся традиции их .сокращенно обозначают МСВ/. Под МСВ вироком смысле слова понимают спиновые волны- в средах с грани-ами /например, вТ: ферритовых пленках,, пластинах, стержнях и. .п»/; Фазовая скорость ИСВ мала по сравнения со скоростью све-а, поэтому.для их описания, йсшльзуйт уравнения магнитостатики, узком смысле слова под МСВ понимаю? длинноволновые.спиновые эзбуадекия* обусловленные дипольним В^ашЬдеистБие'м. Их спектр >гшо находить без- учета обменного взаимодействия.
Интерес я МСВ обуслбвлэн двумя причинами. Во-первых,.соэда-ї эффективная тдхтяогіет.шргщивания эпктакеиальных пленок яе->зо-и?триевого граната ЛИГ/ с высокой степеньи однородности и иза» псглощениш. В *аких пленках МСВ могут распространяться t достаточно больше расстояния, легко возбуждаются и регистри-тотся. Во-вторых, развитие аяустЬэлектроникя в веетидесятые-еыйдебятые года.наглядно продемонстрировало,целесообразность именения "медленных" волн для обработки оигналов в реальном
-4-.
масштабе времени Гл5І . Однако акустоэлектронные устройства работают в области сравнительно низких частот /до 1-2 ГГц/, продвижение е область более высоких частот сдерживается трудностями изготовления прбобразоватё.тей с малым периодом и возрастанием затухания авукрвт волн. Диапазон существования МСВ значительно выше /1-60 ГГц/, причем преобразователи МСВ могут быть изготовлены с помощью стандартной технологии. Характеристиками МСВ легко управлять, изменяя приложенное магнитное поле. Используя эти волны, можно создать как устройства, близкие к разработанным в акустоэлектронике, так и не имеющие акустических аналогов, например,- подавитель слабых сигналов [Л6 J ,
Отмеченные обстоятельства привели к появлению большого числа работ, посвященных.распространению МСВ в системах с одним или не- , сколькими ферритовыми слоями в однородном насыщающем магнитном поле, распространению МСВ в неоднородном магнитном поле, в пластинах и пленках, помещенных в ненасыщающее магнитное поле, взаимодейот-вию ЫСВ.с акустическими волнами, усилению МСВ при взаимодействии с потоком носителей заряда, нелинейным аффектам при распространение МСВ, их рассеянию на случайных неоднородностях. В результате к нас, тоящёму времени сформировалась новая ветвь' радиофизики и твердотельной электроники - спин-волновая-электроника ЦГ7] . И с точки зрения интерпретации физических экспериментов, и с точки зрения создания приборов фундаментальное значение в спин-волновой электронике имеют вопросы возбуждения, приема и дифракции МСВ на металлических неоднородностях. Между тем до исследований, вошедших в.диссертацию, изучалось в основном отражение МСБ от канавок на поверхности 'ферритовой пленки и были опубликованы лишь две работы ІЛ8, JI9J , в которых описаны эксперименты по отражению МСВ от решетки металлических полос. Возбуждение МСВ исследовалось
теоретически и экспериментально /см., например, DlJO, ЛІ її/, но существовавшие теоретические работы исходили из заданного распределения тока го ширине электрода и не позволяли удовлетворительно об"ясни?ь результаты экспериментов даже с простейшими преобразователями [ЛІС*] /самосогласованная теория возбуждения по-верхнистных МСВ узкой металлической полоской, ширина которой значительно меньше толщины ферритовой пленкие построена в [Л121 , однако в экспериментах, как правилоа ширина юзбуждащей полоски превышает толщину ферритовой пленки/.
. Из сказанного вытекает актуальность темы диссертации, цель которой - теоретическое исследование возбуждения, пріема и дифракции МСВ на металлических неоднородностях и сопоставление некоторых положений развитой теории с экспериментальными данными. В диссертации рассматриваются МСВ в узком смысле слова, т.е.феррите вые пленки считаются сравнительно толстил! /такие пленки ий-роко применяются в прикладных исследованиях/, чтобы можно было пренебречь влиянием обменного взаимс .эйетвия на спектр волн. Критерий применимости безобменного приближения обсуждается в обзоре [21] .'
Научная новизна. В диссертации впергаэ доказано утверждение > равенстве групповой скорости и скорости переноса энергии МСВ ї системе, содержащей произвольное число параллельных ферритовых имев а параллельные км металлические экраны. Исследовано распространение пучаов поверхностных МСВ о узким угловым спектром при роиэвольком угле между постоянным магнитным полем и волновым ектором, вблизи которого сосредоточен спектр пучка, как в метал-изированйой5 так и в немвт.аллизировакной пленке феррита и полу-ено аналитическое выражение для формы преобразователя , иэлуча»-їго фокусирующийся пучок. Впервые строго решены ключеры* задачи
иб отражении различных типов МСВ от края металлической полуплоскости, лежащей на поверхности ферритовой пленки. Указаны условия, при которых обратная обиемная МСВ основного типа испытывает полное внутреннее отражение от металлической полуплоскости, выполнен эксперимент по наблюдению этого эффекта и экспериментально продемонстрирована возможность создания волновода обратных об"емных МСВ, Исследовано отражение поверхностных и прямых об"ем-ных МСВ идеальной металлической полоской с разомкнутыми концами. Построена самосогласованная теория возбуждения прямых об"емных МСВ металлической полоской. Впервые получены аналитические выражения для коротковолнового предела погонного сопротивления излучения полоски? излучашцей поверхностные МСВ. Выведены телеграфные уравнения, описывающие прием и возбуждение МСВ микрополосковым преобразователем, и исследовано отражение МСВ таким преобразователем. Решена задача о пороге параметрической неустойчивости при возбуждении поверхностной МСВ в толстой /по сравнению с длиной свободного пробега коротковолновых магнонов/ пленке феррита. Показано, что, используя меандровый преобразователь на поверхности ферритового слоя, можно создать резонатор поверхностных спиновых волн. Построена теория возбуждения и приема поверхностных МСВ симметричным копланарным преобразователем, проведено ее сравнение с экспериментом и предложена методика экспериментального определения погонного импеданса копланарного /или любого другого с основной квази-ТШ волной/ преобразователя.
Научная и практическая ценность. Научная ценность диссертации заключается в том, что полученные в ней результаты расширяют и углубляют физические представления о распространении, возбуждении, приеме и дифракции волн в ферритовых пленках. Практическая ценность диссергации заключается в том, что полученные в ней ре-
- 7 -зультатм могут применяться и применяются как для интерпретации физических экспериментов, так к прк разработке приборов на основе- Ї.5СЗ» 3 частности, результаты диссертации использованы при разработка перестраиваемых поласкопропусхащих и полоснозаграждаюших фильтров в НПО "Салют" к КТО "Авангард".
На защиту выносятся следующие основные положения;
Ї. Величина, описывающая расплывание пучка поверхностных МСВ с узким угловым спектром, при произвольном угле между постоянным магнитным полем к зэлкозкм вектором, вблизи которого сосредоточен спектр пучка, имеет сироний минимум по частоте как з металлизированной, так и в неметаялнзированной пленке феррита. Величина минимума тем больше, чем больше угол между магнитным полем и осью преобразователя, излучающего' пучок.
-
Пря нормальном падении-на йґеталяичеакув полуплоскость поверхностных /внешнее-магнитное полз параллельно границе полуплос-кости/, прямых об"емкнх /внешнее магнитное поле перпендикулярно поверхности пленки/ и обратных об"ем к , /внешнее поле параллельно волновому вектору/ МСВ во всех трех случаях наиболее эффективно отражается дликкыэ волны, причем длинные обратные об"емные МСВ 'отражается сильнее других типов МСВ..Хотя поверхностные МСВ, бегущие перпендикулярно внешнему магнитному полю вправо и влево, локализованы вблизи различных поверхностей фзрритовой пленки, при нормальном падении на границу металлической полуплоскости, лежащей на поверхности ферритовой пленки, они отражаются одинаково.
-
Есля угол падения основной моды прямых об"емных МСВ на металлическую полуплоскость превышает 30, энергетический коэффициент отражения отличается от единицы лишь'из-за возбуждения .вые-сих мод и при большой длине падающей волны близок н единице.
Если основная мода обратных об"емных МСВ падпет на металл»-
- є -
чаек;,.; полуплоскость, граница которой параллельна внешнему магнитному полю, то существует интервал значений проекции волнового вектора падащей волны на границу полуплоскости,в котором энергетический коэффициент отражения равен единице. Щель е металлическом слое на поверхности ферритовой пленки образует волновод обратных об"емных МСВ, если края щели параллельны магнитному полю.
-
МСВ, длина которых значительно больше ширины металлической полоски с разомкнутыми концами, отражаются от полоски при нормальном падении неэффективно. Энергетический коэффициент отражения основной моды прямых об"емных МСВ от полоски с разомкнутыми концами максимален, когда на ширине полоски укладывается, приблизительно половина длины падающей волны^величина максимума не зависит от-внешнего магнитного поля.
-
При возбуждении прямых обпемных МСВ металлической полоской погонное сопротивление излучения, найденное в рамках самосогласованной теории, спадает с ростом частоты быстрее,, чем погонное сопротивление излучения, соответствующее модели однородно, распределенного тока, но различие етих двух величин значительно меньше, чом при возбуждении поверхностных МСВ. При возбуждении последних коротковолновый предел погонного сопротивления излучения полоски отличен от нуля,
-
При нормальном падении МСВ на микрополосковый преобразователь амплитуда отраженной волны разбивается на два слагаемых, одно из которых обусловлено отражением МСВ от участка пленки с дисперсионными характеристиками, измененными присутствием металлической полоски на поверхности,- другое - тем, что.падающая МСВ индуцирует в преобразрвателе электромагнитные волны, которые возбуждают в свою очередь'магнитостатические. Второе слагаемое
может быть значительно больше первого /з зависимости, от длины преобразователя и нагрузок на его концах/.
-
їїорогоше значения тока на полоске, при которых' наступает параметрическая неустойчивость* связанная в, одном случае с особенностями переменного магнитного поля вблизи ребер металлической полоски, э другом - с распадом поверхностной МСВ на два магнона, по-разному зависят от толщины пленки феррита. При типичных для многих экспериментов.значениях толщины пленки, ширины металлической полоски и длины свободного пробега магноков порог параметрической . неустойчивости определяется распадом поверхностной пев.
-
Симметричный копланаршй преобразователь возбуждает в фер-лйтовой пленке,' соприкасающейся с металлом, поверхностные МСВ лишь в диапазоне частот, соответствующем немвталлизированной пленка феррита. Погонное' сопротивление излучения с'имметричного копла-парного преобразователя как функцій частота прздстазляет собой последовательность чередующихся мига, умов и максимумов. Расстояние мевду максимумами тем меньше, чем шире щели преобразователя. Возбуждение и прием поверхностных МСЗ симметричном копланарным преобразователем описываятея тежеграфнжи уравнениями( содержащими э.д.о., прапорцяональнуя амплитуде плотности тока, связанного
с падетщей на преобразователь волной.
Апробация работы. Основные результаты диссертации опубликованы а статьях 11-241 и докладывались на Межвузовском научном совец&ккн-сеютарэ "Проблемы Функциональной микроэлектроники" /Горький, 1980г./ [25,26]s УШ Всесоюзном симпозиуме'по дифракігии и' распространению волн /Львов, 1981г./ [271 , Республиканских семинарах "Функциональная электроника СВЧ" /Киев, 1981, 1983, 1985, 1987, 1989г.г./, Всесоюзных семинарах по спиновым волнам /Ленин-
- 10 -L-рад, 1982, 1984, 1986, 1988 г. г./, Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы интегральной электроники СВЧ" /Ленинград, 1984г./ f 28,29 J , П Всесоюзной школе-семинаре "Спин-волновая электроника СВЧ" /Ашхабад, 1985г./ Гзо] , Региональной конференции "Спин-Болновые явления электроники СВЧ" /пос. ДивноморскиЯ Краснодарекого.края, 1987г./ Гзіj , ІУ Всесоюзной школе-семинаре "Спин-волновая электроника СВЧ" /пос. Долгое Закарпатской области, 1989г./, ХУІ Всесоюзном семинаре "Гиромагнитная электроника и электродинамика" /Куйбышев, 1990г./ Гз2]| , на заседании секции "Спин-волковая электроника" Научного Совета АН СССР по проблеме "Физическая электроника" /Ьіосква, 1987г./„ на семинарах в ИРЭ АН СССР /Москва, 1982, 1986, 1988 г.г./, И АН СССР /Москва, 1989г./ Структура и об"ем диссертации. Диссертация состоит из Введения, пяти разделов и Заключения. Она содержит 288 страниц основного текста, 65 рисунков на 48 страницах, 3 таблица, список литературы кз 277 наименований на 34 страницах. Общий об"ем диссертации - 376 страниц.
