Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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


Для цитирования:

Герус С. В., Локк Э. Г. Экспериментальные методы исследования спиновых волн // Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, вып. 5. С. 520-533. DOI: 10.18500/0869-6632-003002

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Обзорная статья
УДК: 
537.624; 537.632
EDN: 

Экспериментальные методы исследования спиновых волн

Авторы: 
Герус Сергей Валерианович, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Локк Эдвин Гарривич, Фрязинский филиал Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Аннотация: 

Целью данной работы является обзорное описание различных экспериментальных методов исследования характеристик спиновых волн. Методы. В работе представлено описание ряда экспериментальных методик, таких как метод зондирования, метод измерения фазовых сдвигов, метод измерения эквифазных зависимостей, метод пересекающихся волновых пучков, а также использование фурье-анализа комплексного коэффициента передачи спиновых волн для определения их пространственного спектра. Подробно обсуждаются условия использования перечисленных методов и характеристики спиновых волн, которые можно измерить с помощью перечисленных методов. Результаты. В работе представлен ряд фундаментальных результатов, которые были получены на основе описываемых методов. Так, метод зондирования успешно использовался для визуализации распределения амплитуды и фазы спиновых волн в плоскости ферритовой пленки. В частности, с его помощью было экспериментально подтверждено предсказанное ранее возникновение сверхнаправленного распространения волновых пучков поверхностной и обратной объемной спиновых волн. Метод измерения фазовых сдвигов позволил измерить дисперсионные зависимости спиновых волн в таких ферритовых структурах, как феррит – металл и феррит – диэлектрик – металл, в которых невозможно проводить измерения с помощью метода зондирования. Метод измерения эквифазных зависимостей спиновых волн позволил, в частности, впервые с большой точностью измерить величину внешнего магнитного поля, намагничивающего пленку железоиттриевого граната до насыщения в различных кристаллографических направлениях. Метод пересекающихся волновых пучков позволил выяснить механизм возникновения параметрической неустойчивости поверхностных спиновых волн. Фурье-анализ комплексного коэффициента передачи спиновых волн позволил определить пространственный спектр этих волн; в частности, с помощью этого метода были впервые измерены дисперсионные зависимости высших мод обратной объемной спиновой волны. Заключение. Описанные в работе методы могут и в дальнейшем успешно использоваться для исследования характеристик спиновых волн в различных магнонных кристаллах, ферритовых структурах и мета-структурах.

Благодарности: 
Работа выполнена в рамках государственного задания Института радиотехники и электроники им. В. А. Котельникова РАН и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 20-07-00356)
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 // Успехи физических наук. 2015. Т. 185, № 10. С. 1099–1128. DOI: 10.3367/UFNr.0185.201510m.1099.
  2. Chumak A. V., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics // Nature Physics. 2015. Vol. 11, no. 6. P. 453–461. DOI: 10.1038/nphys3347.
  3. Wang X. S., Zhang H. W., Wang X. R. Topological magnonics: A paradigm for spin-wave manipulation and device design // Phys. Rev. Appl. 2018. Vol. 9, no. 2. P. 024029. DOI: 10.1103/ PhysRevApplied.9.024029.
  4. Pirro P., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Advances in coherent magnonics // Nat. Rev. Mater. 2021. Vol. 6, no. 12. P. 1114–1135. DOI: 10.1038/s41578-021-00332-w.
  5. Barman A., Gubbiotti G., Ladak S., Adeyeye A. O., Krawczyk M., Grafe J., Adelmann C., Cotofana S., Naeemi A., Vasyuchka V. I., Hillebrands B., Nikitov S. A., Yu H., Grundler D., Sadovnikov A. V., Grachev A. A., Sheshukova S. E., Duquesne J.-Y., Marangolo M., Csaba G., Porod W., Demidov V. E., Urazhdin S., Demokritov S. O., Albisetti E., Petti D., Bertacco R., Schultheiss H., Kruglyak V. V., Poimanov V. D., Sahoo S., Sinha J., Yang H., Munzenberg M., Moriyama T., Mizukami S., Landeros P., Gallardo R. A., Carlotti G., Kim J.-V., Stamps R. L., Camley R.E., Rana B., Otani Y., Yu W., Yu T., Bauer G.E.W., Back C., Uhrig G.S., Dobrovolskiy O.V., Budinska B., Qin H., van Dijken S., Chumak A. V., Khitun A., Nikonov D. E., Young I. A., Zingsem B. W., Winklhofer M. The 2021 magnonics roadmap // Journal of Physics: Condensed Matter. 2021. Vol. 33, no. 41. P. 413001. DOI: 10.1088/1361-648x/abec1a.
  6. Chumak A., Kabos P., Wu M., Abert C., Adelmann C., Adeyeye A., 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., Golovchanskiy I. A., Gonzalez-Ballestero 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., Lindner 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., Riente 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. Roadmap on spin-wave computing // IEEE Transactions on Magnetics. 2022. Vol. 58, no. 6. P. 0800172. DOI: 10.1109/TMAG.2022.3149664.
  7. Damon R. W., Eshbach J. R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab // J. Phys. Chem. Solids. 1961. Vol. 19, no. 3–4. P. 308–320. DOI: 10.1016/0022-3697(61)90041-5.
  8. Данилов В. В., Зависляк И. В., Балинский М. Г. Спинволновая электродинамика. Киев: Либiдь, 1991. 211 с.
  9. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Издательство Саратовского университета, 1993. 312 с.
  10. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Наука, 1994. 464 с.
  11. Kalinikos B. A. Dipole-exchange spin-wave spectrum of magnetic films // In: Cottam M. G. (ed) Linear and Nonlinear Spin Waves in Magnetic Films and Superlattices. Singapore: World Scientific, 1994. P. 89–156.
  12. Гуляев Ю. В., Никитов С. А. Брэгговское отражение ПМСВ от периодического участка поверхности феррита при наклонном падении волны // Физика твердого тела. 1982. Т. 23, № 12. С. 3678–3679.
  13. Вашковский А. В., Гречушкин К. В., Стальмахов А. В. Пространственно-частотные зависимости потока энергии поверхностной магнитостатической волны // Радиотехника и электроника. 1985. Т. 30, № 12. С. 2422–2428.
  14. Вашковский А. В., Шахназарян Д. Г. Отражение поверхностной магнитостатической волны от края магнитной пленки // Радиотехника и электроника. 1987. Т. 32, № 4. С. 719–723.
  15. Вашковский А. В., Зубков В. И., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Влияние неоднородности постоянного магнитного поля на траектории поверхностных магнитостатических волн // Письма в ЖТФ. 1989. Т. 15, № 4. С. 1–4.
  16. Анненков А.Ю., Герус С. В. Исследование распределения поверхностных магнитостатических волн путем сканирования поверхности ферритовой пластины // Радиотехника и электроника. 2012. Т. 57, № 5. С. 572–577.
  17. Анненков А.Ю., Виноградов А. П., Герус С. В., Рыжиков И. А., Шишков С. А. Исследование магнитостатических волн в фотонных кристаллах // Известия РАН. Серия физическая. 2007. Т. 71, № 11. С. 1612–1613.
  18. Герус С. В. Магнитостатические волны в пространственно-периодических и двумерно-неоднородных магнитных полях: дисс. ... д-ра физ.-мат. наук: 01.04.11. М.: ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН, 2010. 317 с.
  19. Анненков А.Ю., Герус С. В., Ковалев С. И. Трансформация поверхностных магнитостатических волн, канализируемых ступенчатым полем подмагничивания // Журнал технической физики. 2002. Т. 72, № 6. С. 85–89.
  20. Локк Э. Г. Угловая ширина луча при дифракции на щели волны с неколлинеарными групповой и фазовой скоростями // Успехи физических наук. 2012. Т. 182, № 12. С. 1327–1343. DOI: 10.3367/UFNr.0182.201212e.1327.
  21. Локк Э. Г. Угловая ширина волнового пучка обратной спиновой волны, возбуждаемой линейным преобразователем в ферритовой пластине // Радиотехника и электроника. 2015. Т. 60, № 1. С. 102–106. DOI: 10.7868/S0033849415010106.
  22. Annenkov A. Y., Gerus S. V., Lock E. H. Superdirectional beam of surface spin wave // Europhysics Letters. 2018. Vol. 123, no. 4. P. 44003. DOI: 10.1209/0295-5075/123/44003.
  23. Annenkov A. Y., Gerus S. V., Lock E. H. Superdirected beam of the backward volume spin wave // EPJ Web of Conferences. 2018. Vol. 185. P. 02006. DOI: 10.1051/epjconf/201818502006.
  24. Герус С. В., Локк Э. Г., Анненков А.Ю. Влияние однородности магнитного поля, намагничивающего ферритовую пленку, на точность измерения характеристик спиновых волн // Радиотехника и электроника. 2021. Т. 66, № 12. С. 1216–1223. DOI: 10.31857/S0033849421120081. 
  25. Локк Э. Г. Дисперсия магнитостатических волн в композитной структуре феррит-решетка металлических полосок // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48, № 12. С. 1484–1494.
  26. Зубков В. И., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Прохождение поверхностных магнитостатических волн под металлической полосой, расположенной над поверхностью ферритовой пленки // Радиотехника и электроника. 1989. Т. 34, № 7. С. 1381–1384.
  27. Вашковский А. В., Зубков В. И., Лебедь Б. М., Локк Э. Г., Щеглов В. И., Яковлев С. В. Дисперсия поверхностных магнитостатических волн в слоистой структуре феррит–высокотемпературный сверхпроводник // Письма в ЖТФ. 1991. Т. 17, № 9. С. 67–70.
  28. Вашковский А. В., Зубков В. И., Локк Э. Г. Распространение магнитостатических волн в структуре феррит–ВТСП при наличии транспортного тока в сверхпроводнике // Физика твердого тела. 1997. Т. 39, № 12. С. 2195–2202.
  29. Локк Э. Г. Распространение поверхностных магнитостатических волн в композитной структуре феррит-решетка металлических полосок // Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50, № 1. С. 74–81.
  30. Вашковский А. В., Локк Э. Г. О взаимосвязи энергетических и дисперсионных характеристик магнитостатических волн в ферритовых структурах // Успехи физических наук. 2011 Т. 181, № 3. С. 293–304. DOI: 10.3367/UFNr.0181.201103c.0293.
  31. Вашковский А. В., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Влияние наведенной одноосной анизотропии на доменную структуру и фазовые переходы пленок железоиттриевого граната // Физика твердого тела. 1999. Т. 41, № 11. С. 2034–2041.
  32. Вашковский А. В., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Распространение безобменных спиновых волн в ферритовых пленках с доменной структурой // Письма в ЖЭТФ. 1996. Т. 63, № 7. С. 544–548.
  33. Вашковский А. В., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Распространение магнитостатических волн в ненасыщенных ферритовых пленках с полосовой доменной структурой // ЖЭТФ. 1997. Т. 111, № 3. С. 1016–1031.
  34. Вашковский А. В., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Безобменные спиновые волны в пленках железоиттриевого граната с полосовыми доменами, намагниченность внутри которых ориентирована вблизи плоскости пленки // Микроэлектроника. 1998. Т. 27, № 5. С. 393–395.
  35. Вашковский А. В., Локк Э. Г., Щеглов В. И. Гистерезис характеристик магнитостатических волн в ферритовых пленках с полосовыми доменами, векторы намагниченности которых ориентированы вблизи плоскости пленки // ЖЭТФ. 1998. Т. 114, № 10. С. 1430–1450.
  36. Вашковский А. В., Локк Э. Г. Наблюдение параметрической неустойчивости поверхностной магнитостатической волны // Письма в ЖЭТФ. 1994. Т. 60, № 7. С. 545–548.
  37. Kruglyak V. V., Demokritov S. O., Grundler D. Magnonics // Journal of Physics D: Applied Physics. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264001. DOI: 10.1088/0022-3727/43/26/264001.
  38. Sadovnikov A. V., Odintsov S. A., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Toward nonlinear magnonics: Intensity-dependent spin-wave switching in insulating side-coupled magnetic stripes // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96, no. 14. P. 144428. DOI: 10.1103/ PhysRevB.96.144428.
Поступила в редакцию: 
30.05.2022
Принята к публикации: 
02.06.2022
Опубликована: 
30.09.2022