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


Cite this article as:

Kozhevnikov A. V., Hivincev J. V., Saharov V. K., Dudko G. M., Vysockij S. L., Nikulin A. S., Pavlov E. S., Филимонов Ю. А., Hitun A. G. The effect of parametric processes on the propagation of spin waves in cross-shaped structures based on waveguides from yttrium iron garnet films. Izvestiya VUZ. Applied Nonlinear Dynamics, 2019, vol. 27, iss. 3, pp. 9-32. DOI: https://doi.org/10.18500/0869-6632-2019-27-3-9-32

Published online: 
20.06.2019
Language: 
Russian
UDC: 
537.622.2; 537.862

The effect of parametric processes on the propagation of spin waves in cross-shaped structures based on waveguides from yttrium iron garnet films

Abstract: 

Topic. In this work, we experimentally explore the spin waves (SW) propagation in tangentially magnetized cross-like structure in the shape of two orthogonal waveguides on the base of yttrium iron garnet (YIG) film for the conditions when the first order parametric processes take place. Aim. We studied the influence of parametric processes on spectrum of SW in the tangentially magnetized cross-like structure in the filtration band defined as the frequency interval ∆f∥,⊥ of the overlapping spectra of SWs in longitudinally and transversely magnetized waveguides. Methods. The experiments were carried out with the cross-like structure from YIG film with the thickness d ≈ 3.8 μm, having the form of two orthogonal waveguides with the width w ≈ 500 μm, length L ≈ 3 mm, and wire SW antennas placed at the ends of waveguides. One of the antennas was considered as the input and was used to excite SW in the structure, and the other three were used to analyze the spectrum of output signals with the frequencies inside the filtration band ∆f∥,⊥. Results. It was shown that the shape of SW spectrum obtained at the output antennas of orthogonal waveguides could significantly change when the SW parametric instability takes place. Discussion. We attribute this effect to the formation mechanism of secondary SW-satellites in the spectrum of the pump signal and the influence of lateral quantization effects on SW spectrum in the studied cross-like structure.

DOI: 
10.18500/0869-6632-2019-27-3-9-32
References: 

1. Bernstein K., Cavin R.K., Porod W., Seabaugh A., Welser J. Device and architecture outlook for beyond CMOS switches// Proc. IEEE. 2010. Vol. 98, No 12. Pp. 2169–2184 .
2. Nikonov D.E., Young I.A. Overview of beyond-CMOS devices and a uniform methodology for their benchmarking// Proc. IEEE. 2013. Vol. 101, No 12. Pp. 2498–2533.
3. Roy K., Bandyopadhyay S., Atulasimha J. Hybrid spintronics and straintronics: A magnetic technology for ultra low energy computing and signal processing// Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99. 063108.
4. Chumak A.V., Vasyuchka V.K., Serga A.A., Hillebrands B. Magnon spintronics// Nature Physics. 2015. Vol. 11. p. 453–461. DOI:10.138.NPHYS3347.
5. 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. T. 185, No 10. C. 1099–1128. DOI:https:10.3367/UFNr.0185.201510m.1099
6. Khitun A., Wang K. Non-volatile magnonic logic engineering// Journ. Appl. Phys. 2011. Vol. 110. 0343061.
7. Khitun A. Magnonic holographic devices for special type data processing// Journ. Appl. Phys. 2013. Vol. 113. 164503.
8. Nanayakkara K., Jacob A.P., Kozhanov A. Spin wave scattering and interference in ferromagnetic cross// Journ. of Appl. Phys. 2015. Vol. 118. 163904. DOI:10.1063/1.4934519
9. Khitun A.G., Kozhanov A.E. Magnonic logic devices// Изв. Сарат. ун-та. Нов. сер. Сер. Физика. 2017. Vol. 17, No 4. Pp. 216–241.
10. Nanayakkara K., Anferov A., Jacob A. P., Allen S. J., Kozhanov A. Cross junction spin wave logic architecture // IEEE Trans. on Magn. 2014. Vol. 50, No 11. 3402204.
11. Balynsky M., Kozhevnikov A., Khivintsev Y., Bhowmick T., Gutierrez D., Chiang H., Dudko G., Filimonov Y., Liu G., Jiang C., Balandin A. A., Lake R., Khitun A. Magnonic interferometric switch for multi-valued logic circuits// Journ. of Appl. Phys. 2017. Vol. 121. 024504.
12. Kozhevnikov A., Gertz F., Dudko G., Filimonov Y., Khitun A. Pattern recognition with magnonic holographic memory device // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, No 14. 142409.
13. Au Y., Davison T., Ahmad E., Keatley P.S., Hicken R.J., Kruglyak V.V. Excitation of propagating spin waves with global uniform microwave fields // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98. 122506.
14. Bracher T., Pirro P., Westermann J., Sebastian T., Lagel B., Van de Wiele B., Vansteenkiste A., and Hillebrands B. Generation of propagating backward volume spin waves by phase-sensitive mode conversion in two-dimensional microstructures // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102. 132411.

15. Davies C.S., Francis A., Sadovnikov A.V., Chertopalov S.V., Bryan M.T., Grishin S.V., Allwood D.A., Sharaevskii Yu.P., Nikitov S.A., Kruglyak V.V. Towards graded-index magnonics: Steering spin waves in magnonic networks // Physical Review B. 2015. Vol. 92, No 2. 020408.
16. Sadovnikov A.V., Davies C.S., Grishin S.V., Kruglyak V.V., Romanenko D.V., Sharaevskii Yu.P., Nikitov S.A. Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, No 19. 192406.
17. Demidov V., Demokritov S.O., Birt D., O’Gorman B., Tsoi M., Li X. Radiation of spin waves from the open end of a microscopic magnetic-film waveguide // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 80. 014429.
18. Дудко Г.М., Кожевников А.В., Хивинцев Ю.В., Филимонов Ю.А., Khitun A.G., Никитов С.А. Микромагнитное моделирование распространения спиновых волн в касательно намагниченных крестах на основе ферритовых микроволноводов различной ширины //Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63. С. 1105. DOI:10.1134/S0033849418100091.

19. Gertz F., Kozhevnikov A.V., Filimonov Y.A., Nikonov D., Khitun A. Magnonic holographic memory: From proposal to device // IEEE Journ. on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits. 2015. Vol.1. Pp. 67–75.
20. Balynskiy M., Chiang H., Gutierrez D., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Reversible magnetic logic gates based on spin wave interference // Journ. of Appl. Phys. 2018. Vol. 123. 144501. DOI: 10.1063/1.5011772.
21. Khivintsev Y., Ranjbar M., Gutierrez D., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Prime factorization using magnonic holographic devices // Jour. Appl. Phys. 2016. Vol. 120. 123901. DOI: 10.1063/1.4962740.
22. Balynsky M., Gutierrez D., Chiang H., Kozhevnikov A., Dudko G., Filimonov Y., Balandin A.A., Khitun A. A magnetometer based on a spin wave interferometer // Scientific Reports. 2017. Vol. 7. 11539.
23. 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// Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2017. Vol. 428. Pp. 348–356. DOI:10.1016/j.jmmm.2016.12.022.
24. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. Москва: Физматлит, 1994. 464 с.

25. Вашковский А.В., Стальмахов В.С., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Изд-во Сар. ун-та, 1993, 311 c.

26. Львов В.С. Нелинейные спиновые волны. М.: Наука, 1987. 270 с.
27. Медников А.М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленках ЖИГ // ФТТ. 1981. Т. 23, вып. 1. С. 242–245.

28. Темирязев А.Г. Механизм преобразования поверхностной магнитостатической волны в условиях трехмагнонного распада // ФТТ. 1987. Т. 29, вып. 2. С. 313–319.

29. Мелков Г.А., Шолом С.В. Параметрическое возбуждение спиновых волн поверхностной магнитостатической волной // ЖЭТФ. 1989. Т. 96, вып. 2(8). С. 712–719.
30. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Четырехмагнонный распад поверхностных магнитостатических волн в пленках железо-иттриевого граната // Физика твердого тела. 1997. Т. 39, No 2. С. 330–338.

31. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Влияние параметрически возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание поверхностных магнитостатических волн в ферритовых пленках // ЖЭТФ. 1999. Т. 115, No 1. С. 318.

32. O’Keeffe T.W., Patterson R.W. Magnetostatic surface-wave propagation in finite samples // J. Appl. Phys. 1978. Vol. 49. Pp. 4886–4895.
33. Садовников А.В., Одинцов С.А., Бегинин Е.Н., Грачев А.А., Губанов В.А., Шешукова С.Е., Шараевский Ю.П., Никитов С.А. Нелинейные спин-волновые эффекты в системе латеральных магнонных структур// Письма в ЖЭТФ. 2018. Т. 107, вып. 1. C. 29–34. DOI:10.1134/S0021364018010113.
34. Sadovnikov A.V., Odintsov S.A., Beginin E.N., Sheshukova S.E., Sharaevskii Yu.P., Nikitov S.A. Toward nonlinear magnonics: Intensity-dependent spin-wave switching in insulating side-coupled magnetic stripes// Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96. 144428.

35. Sadovnikov A.V., Davies C.S., Kruglyak V.V., Romanenko D.V., Grishin S.V., Beginin E.N., Sharaevskii Y.P., Nikitov S.A. Spin wave propagation in a uniformly biased curved magnonic waveguide // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96. 060401(R).

36. Ползикова Н.И., Раевский А.О., Темирязев А.Г. Влияние обменного взаимодействия на границу трехмагнонного распада волны Дэймона–Эшбаха в тонких пленках ЖИГ // ФТТ. 1984. Т. 26, вып. 11. С. 3506–3508.
37. magpar – Parallel Finite Element Micromagnetics Package Version 0.9 Build 3061M (2002) www.magpar.net/static/magpar/doc/html/index.html
38. Stancil D.D., Prabhakar A. Spin Waves: Theory and Applications. Springer Science+Business Media, LLC 2009. No 2008936559. DOI:10.1007/978-0-387-77865-5

39. Гречушкин К.В., Стальмахов А.В., Тюлюкин В.А. Пространственная структура пучков волн-сателлитов нелинейной поверхностной магнитостатической волны // Радиотехника и электроника. 1991. Т. 36. С. 2078–2084.

40. Дудко Г.М., Хивинцев Ю.В., Сахаров В.К., Кожевников А.В., Высоцкий С.Л., Селезнев М.Е., Филимонов Ю.А., Хитун А.Г. Микромагнитное моделирование нелинейного взаимодействия латеральных магнитостатических мод в крестовидных структурах на основе волноводов из пленок железо-иттриевого граната // Изв.вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2019. T. 27, No 2. С. 39–60. DOI:https://doi.org/10.18500/0869-6632-2019-27-2-39-60

Short text (in English):
(downloads: 42)
Полный текст в формате PDF(En):
(downloads: 7)