Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

ISSN 0869-6632 (Print)
ISSN 2542-1905 (Online)

Статья имеет ранний доступ!

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF and_2024-3_seleznev_et-al_ranniy_dostup.pdf
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нелинейные волны. Солитоны. Автоволны. Самоорганизация.
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.86
DOI: 
10.18500/0869-6632-003104
EDN: 
MYWMNM

Детектирование сфокусированных пучков поверхностных магнитостатических волн в структурах YIG / Pt

Авторы: 
Селезнёв Михаил Евгеньевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Дудко Галина Михайловна, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Никулин Юрий Васильевич, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Хивинцев Юрий Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Сахаров Валентин Константинович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Кожевников Александр Владимирович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Высоцкий Сергей Львович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Филимонов Юрий Александрович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Аннотация: 

Цель работы — с помощью обратного спинового эффекта Холла экспериментально исследовать детектирование сфокусированных пучков поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в интегральных тонкопленочных микроструктурах YIG(3.9 мкм)/Pt(4 нм), где фокусировка обеспечивалась за счет криволинейной формы возбуждающей антенны. Провести сравнение со случаем детектирования ПМСВ, возбуждаемых прямолинейной антенной.

Методы. Эксперименты выполнялись с макетом типа линии задержки на основе структуры YIG/Pt. Исследовались амплитудно-частотные характеристики макета YIG/Pt и частотная зависимость ЭДС (V(f)), наводимая в платине.

Результаты. Показано, что на частотах f вблизи длинноволновой границы спектра ПМСВ, величина ЭДС V(f), генерируемой сфокусированной ПМСВ, может в разы превышать значения V(f) в случае возбуждения ПМСВ обычной (прямой) антенной. При этом в коротковолновой части спектра, наоборот, величина ЭДС, генерируемая сфокусированным пучком ПМСВ, оказывается заметно меньше. Такое поведение связано с хроматической аберрацией фокусирующих антенн ПМСВ, проявляющейся в частотной зависимости фокусного расстояния антенны, что подтверждается результатами проведенного микромагнитного моделирования. Показано, что падение сигнала ЭДС, генерируемого сфокусированным пучком ПМСВ, в коротковолновой части спектра связано с выходом фокуса на участок структуры, не покрытой пленкой Pt. При этом рост V(f) в длинноволновой области спектра ПМСВ объясняется увеличением погонной плотности мощности ПМСВ и формированием каустик под пленкой Pt.

Заключение. Полученные результаты могут быть применимы для разработки высокочувствительных детекторов спиновых волн и создания устройств спиновой логики.

Ключевые слова: 
структуры YIG / Pt
фокусирующие антенны
поверхностные магнитостатические волны
обратный спиновый эффект Холла
микромагнитное моделирование
Благодарности: 
Работа поддержана грантом РНФ № 22-19-00500
Список источников: 
  1. Никитов С. А., Калябин Д. В., Лисенков И. В., Славин А. Н., Барабаненков Ю. Н., Осокин С. А., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Сахаров В. К., Павлов Е. С. Магноника — новое направление спинтроники и спин-волновой электроники. УФН. 2015. Т. 185, № 10. С. 1099–1128. DOI: 10.3367/UFNr.0185. 201510m.1099.
  2. Никитов С. А., Сафин А. Р. Калябин Д. В., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Логунов М. В., Морозова М. А., Одинцов С. А., Осокин С. А., Шараевская А.Ю., Шараевский Ю. П., Кирилюк А. И. Диэлектрическая магноника — от гигагерцев к терагерцам. УФН. 2020. Т. 190, № 10. С. 1009–1040. DOI: 10.3367/UFNe.2019.07.038609.
  3. Chumak A. A., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics. Nature Phys. 2015. Vol. 11. P. 453–461. DOI: doi:10.1038/nphys3347.
  4. Demidov V. E., Urazhdin S., Loubens G., Klein O., Cros V., Anane A., Demokritov S. O. Magnetization oscillations and waves driven by pure spin currents. Phys. Rep. 2017. Vol. 673. P. 1–31. DOI: 10.1016/j.physrep.2017.01.001.
  5. Althammer M. Pure spin currents in magnetically ordered insulator/normal metal heterostructures // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. Vol. 51, no. 31. P. 313001. DOI: 10.1088/1361-6463/aaca89.
  6. Demidov V. E., Urazhdin S., Anane A., Cros V., Demokritov S. O. Spin–orbit-torque magnonics. Journal of Applied Physics. 2020. V. 127, no. 17. P. 170901. DOI: 10.1063/5.0007095.
  7. Brataas A., van Wees B., Klein O., de Loubens G., Viret M. Spin insulatronics // Physics Reports. 2020. Vol. 885. P. 1–27. DOI: 10.1016/j.physrep.
  8. Mahmoud A., Ciubotaru F., Vanderveken F., Chumak A. V., Hamdioui S., Adelmann C., Cotofana S. Introduction to spin wave computing. J. Appl. Phys. 2020. Vol. 128, no. 16. 161101. DOI: 10.1063/ 5.0019328.
  9. Chumak A. V., Kabos P., Wu M., Abert C., Adelmann C., Adeyeye A. O., Akerman J., Aliev F. G., Anane A., Awad A., Back C. H., Barman A., Bauer G. E. W., Becherer M., Beginin E. N., Bittencourt V. A. S. V., Blanter Y. M., Bortolotti P., Boventer I., Bozhko D. A., Bunyaev S. A., Carmiggelt J. J., Cheenikundil R. R., Ciubotaru F., Cotofana S., Csaba G., Dobrovolskiy O. V., Dubs C., Elyasi M., Fripp K. G., Fulara H., Golovchnsiy I. A., Gonzalez-Ballster C., Graczyk P., Grundler D., Gruszecki P., Gubbiotti G., Guslienko K., Haldar A., Hamdioui S., Hertel R., Hillebrands B., Hioki T., Houshang A., Hu C.- M., Huebl H., Huth M., Iacocca E., Jungfleisch M. B., Kakazei G. N., Khitun A., Khymyn R., Kikkawa T., Klaui M., Klein O., Klos J. W., Knauer S., Koraltan S., Kostylev M., Krawczyk M., Krivorotov I. N., Kruglyak V. V., Lachance-Quirion D., Ladak S., Lebrun R., Li Y., Linder M., Macedo R., Mayr S., Melkov G. A., Mieszczak S., Nakamura Y., Nembach H. T., Nikitin A. A., Nikitov S. A., Novosad V., Otalora J. A., Otani Y., Papp A., Pigeau B., Pirro P., Porod W., Porrati F., Qin H., Rana B., Reimann T., Reinte F., Romero-Isart O., Ross A., Sadovnikov A. V., Safin A. R., Saitoh E., Schmidt G., Schultheiss H., Schultheiss K., Serga A. A., Sharma S., Shaw J. M., Suess D., Surzhenko O., Szulc K., Taniguchi T., Urbanek M., Usami K., Ustinov A. B., van der Sar T., van Dijken S., Vasyuchka V. I., Verba R., Viola Kusminskiy S., Wang Q., Weides M., Weiler M., Wintz S., Wolski S. P., Zhang X. Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing. IEEE Transactions on Magnetics. 2022. Vol. 58, no. 6. P. 0800172. DOI: 10.1109/TMAG.2022.3149664.
  10. Khitun A. Magnonic holographic devices for special type data processing. J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113, no. 16. P. 164503. DOI: 10.1063/1.4802656.
  11. Gertz F., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Nikonov D. E., Khitun A. Magnonic holographic memory: From proposal to device. IEEE J.Explor. Solid-State Comput. Devices Circuits. 2015. Vol. 1, P. 67–75. DOI: 10.1109/JXCDC.2015.2461618.
  12. Khivintsev Y., Ranjbar M., Gutierrez D., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Prime factorization using magnonic holographic devices. J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120, no. 12. P. 123901. DOI: 10.1063/1.4962740.
  13. Gutierrez D., Chiang H., Bhowmick T., Volodchenkov A. D., Ranjbar M., Liu G., Jiang C., Warren C., Khivintsev Y., Filimonov Y. Garay J., Lake R., Balandin A. A., Khitun A. Magnonic holographic imaging of magnetic microstructures. JMMM. 2017. Vol. 428. P. 348–356. DOI: 10. 1016/j.jmmm.2016.12.022.
  14. Papp A., Porod W., Csurgay A. I., Csaba G. Nanoscale spectrum analyzer based on spin-wave interference. Sci. Rep. 2017. Vol. 7. P. 9245. DOI: 10.1038/s41598-017-09485-7.
  15. Csaba G., Papp A., Porod W. Holographic Algorithms for On-Chip, Non-Boolean Computing // 17th International Workshop on Computational Electronics (IWCE 2014). Paris, France, 2014. P. 33–34. DOI: 10.1109/IWCE.2014.6865814.
  16. Csaba G., Papp A., Porod W. Perspectives of using spin waves for computing and signal processing. Phys. Lett. A. 2017. V. 381. P. 1471. DOI: 10.1016/j.physleta.2017.02.042.
  17. Macia F., Kent A. D. Hoppensteadt F. C. Spin-wave interference patterns created by spin-torque nano-oscillators for memory and computation. Nanotechnology. 2011. Vol. 22. P. 095301. DOI: 10.1088/0957-4484/22/9/095301.
  18. Csaba G., Papp A., Porod W. Spin-wave based realization of optical computing primitives. J. Appl.Phys. 2014. Vol. 115, no. 17. P. 17C741. DOI: 10.1063/1.4868921.
  19. Vogel M., Hillebrands B., von Freymann G. Spin-Wave Optical Elements: Towards Spin-wave Fourier Optics. arXiv:1906.02301v1 [physics.app-ph]
  20. Papp A., Csaba G. Lens Design for Computing With Anisotropic Spin Waves. IEEE Magn. Lett. 2018. Vol. 9. P. 3706405. DOI: 10.1109/LMAG.2018.2872127.
  21. Вашковский А. В., Стальмахов А. В., Шахназарян Д. Г. Формирование, отражение и преломление пучков магнитостатических волн. Известия вузов. Физика. 1988. № 11. С. 57–75. DOI: 10.1007/BF00893543.
  22. Davies C. S., Kruglyak V. V. Graded-index magnonics. Low Temperature Physics. 2015. Vol. 41. P. 760–766. DOI: 10.1063/1.4932349.
  23. Schneider T., Serga A. A., Chumak A. V., Sandweg C. W., Trudel S., Wolff S., Kostylev M. P., Tiberkevich V. S., Slavin A. N., Hillebrands B. Nondiffractive subwavelength wave beams in a medium with externally controlled anisotropy. Phys. Rev. Lett. 2010. Vol. 104. P. 197203. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.197203.
  24. Ulrichs H., Demidov V. E., Demokritov S. O., Urazhdin S. Spin-torque nano-emitters for magnonic applications. Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100. P. 162406. DOI: 10.1063/1.4704563.
  25. Gieniusz R., Ulrichs H., Bessonov V. D., Guzowska U., Stognii A. I., Maziewski A. Single antidot as a passive way to create caustic spin-wave beams in yttrium iron garnet films. Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. P. 102409. DOI: 10.1063/1.4795293
  26. Gieniusz R., Bessonov V. D., Guzowska U., Stognii A. I., Maziewski A. An antidot array as an edge for total non-reflection of spin waves in yttrium iron garnet films. Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 104, no. 8. P. 082412. DOI: 10.1063/1.4867026.
  27. Mansfeld S., Topp J., Martens K., Toedt J. N., Hansen W., Heitmann D., Mendach S. Spin Wave Diffraction and Perfect Imaging of a Grating. Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 108. P. 047204. DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.047204.
  28. Choi S., Lee K. -S., Kim S. -K. Spin-wave interference. Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89, no. 6. P. 062501. DOI: 10.1063/1.2259813.
  29. Gruszecki P., Kasprzak M., Serebryannikov A. E., Krawczyk M., Smigaj W. Microwave excitation of spin wave beams in thin ferromagnetic films. Sci. Rep. 2016. Vol. 6. P. 22367. DOI: 10.1038/ srep22367.
  30. Korner H. S., Stigloher J., Back C. H. Excitation and tailoring of diffractive spin-wave beams in NiFe using nonuniform microwave antennas. Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96. P. 100401(R). DOI: 10.1103/PhysRevB.96.100401.
  31. Loayza N., Jungfleisch M. B., Hoffmann A., Bailleul M., Vlaminck V. Fresnel diffraction of spin waves. Phys. Rev. B. 2018. Vol. 98. P. 144430. DOI: 10.1103/PhysRevB.98.144430.
  32. Madami M., Khivintsev Y., Gubbiotti G., Dudko G., Kozhevnikov A., Sakharov V., Stal’makhov A., Khitun A., Filimonov Y. Nonreciprocity of backward volume spin wave beams excited by the curved focusing transducer. Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 113, no. 15. P. 152403. DOI: 10.1063/1.5050347.
  33. Kajiwara Y., Harii K., Takahashi S., Ohe J., Uchida K., Mizuguchi M., Umezawa H., Kawai H., Ando K., Takanashi K., Maekawa S., Saitoh E. Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator. Nature. 2010. Vol. 464. P. 262–266. DOI: 10.1038/ nature08876.
  34. Collet M., de Milly X., d’Allivy Kelly O., Naletov V. V., Bernard R., Bortolotti P., Ben Youssef J., Demidov V. E., Demokritov S. O., Prieto J. L., Munoz M., Cros V., Anane A., de Loubens G., Klein O. Generation of coherent spin-wave modes in yttrium iron garnet microdiscs by spin–orbit torque. Nat Commun. 2016. Vol. 7. P. 10377. DOI: 10.1038/ncomms10377.
  35. Uchida K.-I., Adachi H., Ota T., Nakayama H., Maekawa S., Saitoh E. Observation of longitudinal spin-Seebeck effect in magnetic insulators. Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, no. 17. P. 172505. DOI: 10.1063/1.3507386.
  36. Chumak A. V., Serga A. A., Jungfleisch M. B., Neb R., Bozhko D. A., Tiberkevich V. S., Hillebrands B. Direct detection of magnon spin transport by the inverse spin Hall effect. Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, no. 8. P. 082405. DOI: 10.1063/1.3689787.
  37. d’Allivy Kelly O., Anane A., Bernard R., Ben Youssef J., Hahn C., Molpeceres A. H., Carretero C., Jacquet E., Deranlot C., Bortolotti P., Lebourgeois R., Mage J.-C., de Loubens G., Klein O., Cros V., Fert A. Inverse spin Hall effect in nanometer-thick yttrium iron garnet/Pt system. Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103, no. 8. P. 082408. DOI: 10.1063/1.4819157 .
  38. Balinsky M., Ranjbar M., Haidar M., Durrenfeld P., Dumas R. K., Khartsev S., Slavin A., Akerman J. Spin pumping and the inverse spin Hall effect via magnetostatic surface spin-wave modes in YIG/Pt bilayers. IEEE Magn. Lett. 2015. Vol. 6. P. 3000604. DOI: 10.1109/LMAG.2015. 2471276.
  39. Balinsky M., Chiang H., Gutierrez D., Khitun A. Spin wave interference detection via inverse spin Hall effect. Appl. Phys. Lett. 2021. Vol. 118, no. 24. P. 242402. DOI: 10.1063/5.0055402.
  40. Селезнёв М. Е., Никулин Ю. В., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Павлов Е. С., Филимонов Ю. А. Влияние трехмагнонных распадов на генерацию ЭДС поверхностными магнитостатическими волнами в интегральных структурах ЖИГ– Pt. Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, № 5. С. 617–643. DOI: 10.18500/0869-6632- 003008.
  41. Селезнёв М. Е., Никулин Ю. В.,Сахаров В. К.,Хивинцев Ю. В., Кожевников А. В., Высоцкий С. Л., Филимонов Ю. А. Влияние резонансного взаимодействия поверхностных магнито-статических волн с обменными модами на генерацию ЭДC в структурах YIG/Pt. ЖТФ. 2021. Т. 91, № 10. P. 1504–1508. DOI: 10.21883/JTF.2021.10.51363.136-21.
  42. Селезнёв М. Е., Никулин Ю. В., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Филимонов Ю. А. Влияние параметрической неустойчивости на спиновую накачку дипольно-обменными поверхностными магнитостатическими волнами в структурах ЖИГ–Pt. Известия вузов. ПНД. 2023. Т. 31, № 2. С. 225–242. DOI: 10.18500/0869- 6632-003032.
  43. Никулин Ю. В., Высоцкий C. Л., Селезнев М. Е., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Хивинцев Ю. В., Филимонов Ю. А. Частотная зависимость смешанной спиновой проводимости структур YIG/Pt при спиновой накачке ПМСВ. ФТТ. 2023. Т. 65, № 6. С. 967–972. DOI: 10.21883/FTT.2023.06.55652.10H.
  44. Дудко Г. М., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Стальмахов А. В., Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В. Расчет фокусирующих преобразователей спиновых волн методом микромагнитного моделирования. Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. 2018. Т. 18, № 2. С. 92–102. DOI: 10.18500/1817-3020-2018-18-2-92-102.
  45. Damon R., Eshbach J. Magnetostatic modes of a ferromagnetic slab. J. Phys.Chem. Sol. 1961. Vol. 19, no. 3–4. P. 308–320. DOI: 10.1016/0022-3697(61)90041-5.
  46. Donahue M. J., Porter D. G. OOMMF user’s guide, version 1.0. Interagency Report NIST 6376. National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1999. DOI: 10.6028/ NIST.IR.6376.
Поступила в редакцию: 
13.12.2023
Принята к публикации: 
02.02.2024
Опубликована онлайн: 
10.04.2024
  • 106 просмотров