Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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


Для цитирования:

Амельченко М. Д., Бир А. С., Огрин Ф. Ю., Одинцов С. А., Романенко Д. В., Садовников А. В., Никитов С. А., Гришин С. В. Магнитные метаповерхности с металлическими включениями // Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, вып. 5. С. 563-591. DOI: 10.18500/0869-6632-003007

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.622, 530.182
EDN: 

Магнитные метаповерхности с металлическими включениями

Авторы: 
Амельченко Мария Денисовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Бир Анастасия Сергеевна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Огрин Фёдор Юрьевич, Эксетерский университет
Одинцов Сергей Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Романенко Дмитрий Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Садовников Александр Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Никитов Сергей Аполлонович, Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова Российской академии наук
Гришин Сергей Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Аннотация: 

Цель. Разработка и создание магнитных метаповерхностей с металлическими включениями, работающими как в микроволновом, так и в терагерцевом диапазонах частот. Методы. Для построения аналитических моделей магнитных метаповерхностей, выполненных на основе либо ферромагнитной (ФМ), либо антиферромагнитной (АФМ) диэлектрической матрицы, внутри которой содержится двумерная периодическая структура из тонких металлических (немагнитных) проволок, окруженных изоляторами, используются уравнения Максвелла и выражения для эффективных материальных параметров среды. Численное моделирование таких структур, работающих в микроволновом диапазоне, осуществляется с использованием программного пакета MaxLLG. Для создания бикомпонентных магнитных метаповерхностей, состоящих из двух магнитных материалов с сильно отличными значениями намагниченности, используются методы магнетронного напыления, жидкостного травления, оптической литографии и взрывной (lift-off) фотолитографии. Исследования линейных и нелинейных характеристик бикомпонентных магнитных метаповерхностей проводятся с привлечением методов микроволновой и бриллюэновской спектроскопии. Результаты. На основе разработанной аналитической модели магнитной метаповерхности с металлическими (немагнитными) включениями демонстрируется возможность получения дважды отрицательной среды не только в микроволновом (на основе ФМ-матрицы), но и в терагерцевом (на основе АФМ-матрицы) диапазонах частот. Причем в последнем случае существуют две частотные области, в которых материальные параметры магнитной метаповерхности являются дважды отрицательными. Для магнитных метаповерхностей с металлическими магнитными включениями установлено образование полос поглощения в спектре бегущей поверхностной магнитостатической спиновой волны за счет резонансных свойств включений. В нелинейном режиме обнаружен эффект невзаимного параметрического трехволнового резонанса. Заключение. Представленные в работе результаты демонстрируют ряд физических феноменов, которые наблюдаются только в магнитных метаповерхностях с металлическими (немагнитными и магнитными) включениями. 

Благодарности: 
Авторы данной работы выражают особую благодарность инженеру по программному обеспечению Иану Веллавею (Ian Wellaway) за помощь в установке и эксплуатации программного пакета MaxLLG. Работа выполнена за счет гранта Российского научного фонда, проект № 19-79-20121
Список источников: 
  1. Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ // УФН. 1967. Т. 92, № 3. С. 517–526. DOI: 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517.
  2. Pendry J. B., Holden A. J., Stewart W. J., Youngs I. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76, no. 25. P. 4773–4776. DOI: 10.1103/PhysRevLett. 76.4773.
  3. Smith D. R., Padilla W. J., Vier D. C., Nemat-Nasser S. C., Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84, no. 18. P. 4184–4187. DOI: 10.1103/PhysRevLett.84.4184.
  4. Pendry J. B. Negative refraction makes a perfect lens // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 85, no. 18. P. 3966–3969. DOI: 10.1103/PhysRevLett.85.3966.
  5. Шараевский Ю. П. «Левые» среды. Чем они интересны? // Известия вузов. ПНД. 2012. Т. 20, № 1. С. 33–42. DOI: 10.18500/0869-6632-2012-20-1-33-42.
  6. Schurig D., Mock J. J., Justice B. J., Cummer S. A., Pendry J. B., Starr A. F., Smith D. R. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies // Science. 2006. Vol. 314, no. 5801. P. 977–980. DOI: 10.1126/science.1133628.
  7. Soukoulis C. M., Wegener M. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials // Nature Photonics. 2011. Vol. 5, no. 9. P. 523–530. DOI: 10.1038/nphoton.2011.154.
  8. Kildishev A. V., Boltasseva A., Shalaev V. M. Planar photonics with metasurfaces // Science. 2013. Vol. 339, no. 6125. P. 1232009. DOI: 10.1126/science.1232009.
  9. Glybovski S. B., Tretyakov S. A., Belov P. A., Kivshar Y. S., Simovski C. R. Metasurfaces: From microwaves to visible // Physics Reports. 2016. Vol. 634. P. 1–72. DOI: 10.1016/j.physrep. 2016.04.004.
  10. Chen H.-T., Taylor A. J., Yu N. A review of metasurfaces: physics and applications // Rep. Prog. Phys. 2016. Vol. 79, no. 7. P. 076401. DOI: 10.1088/0034-4885/79/7/076401.
  11. Ремнев М. А., Климов В. В. Метаповерхности: новый взгляд на уравнения Максвелла и новые методы управления светом // УФН. 2018. Т. 188, № 2. С. 169–205. DOI: 10.3367/UFNr.2017.08.038192.
  12. Беспятых Ю. И., Бугаев А. С., Дикштейн И. Е. Поверхностные поляритоны в композитных средах с временной дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей // ФТТ. 2001. Т. 43, № 11. С. 2043–2047.
  13. Вашковский А. В., Локк Э. Г. Возникновение отрицательного коэффициента преломления при распространении поверхностной магнитостатической волны через границу раздела сред феррит – феррит-диэлектрик-металл // УФН. 2004. Т. 174, № 6. С. 657–662. DOI: 10.3367/UFNr.0174.200406e.0657.
  14. Dewar G. Minimization of losses in a structure having a negative index of refraction // New J. Phys. 2005. Vol. 7. P. 161. DOI: 10.1088/1367-2630/7/1/161.
  15. He Y., He P., Yoon S. D., Parimi P. V., Rachford F. J., Harris V. G., Vittoria C. Tunable negative index metamaterial using yttrium iron garnet // J. Magn. Magn. Mater. 2007. Vol. 313, no. 1. P. 187–191. DOI: 10.1016/j.jmmm.2006.12.031.
  16. Zhao H., Zhou J., Zhao Q., Li B., Kang L., Bai Y. Magnetotunable left-handed material consisting of yttrium iron garnet slab and metallic wires // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91, no. 13. P. 131107. DOI: 10.1063/1.2790500.
  17. Bi K., Zhou J., Zhao H., Liu X., Lan C. Tunable dual-band negative refractive index in ferrite-based metamaterials // Opt. Express. 2013. Vol. 21, no. 9. P. 10746–10752. DOI: 10.1364/OE.21.010746.
  18. Rachford F. J., Armstead D. N., Harris V. G., Vittoria C. Simulations of ferrite-dielectric-wire composite negative index materials // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, no. 5. P. 057202. DOI: 10.1103/PhysRevLett.99.057202.
  19. Гуревич А. Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1960. 407 с.
  20. Huang Y.-J., Wen G.-J., Li T.-Q., Li J. L.-W., Xie K. Design and characterization of tunable terahertz metamaterials with broad bandwidth and low loss // IEEE AWP Letters. 2012. Vol. 11. P. 264–267. DOI: 10.1109/LAWP.2012.2189090.
  21. Гришин С. В., Амельченко М. Д., Шараевский Ю. П., Никитов С. А. Дважды отрицательные среды на основе антиферромагнитных метаматериалов для терагерцевого диапазона частот // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47, № 18. С. 32–35. DOI: 10.21883/PJTF.2021.18.51470.18873. 
  22. Евтихов М. Г., Никитов С. А. Метод полугрупп для вычисления спектров фотонных, фононных и магнонных кристаллов // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, № 3. С. 261–275.
  23. Melkov G. A., Koblyanskiy Y. V., Slipets R. A., Talalaevskij A. V., Slavin A. N. Nonlinear interactions of spin waves with parametric pumping in permalloy metal films // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79, no. 13. P. 134411. DOI: 10.1103/PhysRevB.79.134411.
  24. Nikitov S. A., Tailhades P., Tsai C. S. Spin waves in periodic magnetic structures–magnonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2001. Vol. 236, no. 3. P. 320–330. DOI: 10.1016/S0304- 8853(01)00470-X.
  25. Kruglyak V. V., Demokritov S. O., Grundler D. Magnonics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264001. DOI: 10.1088/0022-3727/43/26/264001.
  26. Serga A. A., Chumak A. V., Hillebrands B. YIG magnonics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264002. DOI: 10.1088/0022-3727/43/26/264002.
  27. Gubbiotti G., Tacchi S., Madami M., Carlotti G., Adeyeye A. O., Kostylev M. Brillouin light scattering studies of planar metallic magnonic crystals // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. Р. 264003. DOI: 10.1088/0022-3727/43/26/264003.
  28. Yu H., Chen J., Cros V., Bortolotti P., Wang H., Guo C., Brandl F., Heimbach F., Han X., Anane A., Grundler D. Active ferromagnetic metasurface with topologically protected spin texture for spectral filters // Adv. Funct. Mater. 2022. Vol. 32, no. 34. P. 2203466. DOI: 10.1002/adfm.202203466.
  29. Popov P. A., Sharaevskaya A. Y., Beginin E. N., Sadovnikov A. V., Stognij A. I., Kalyabin D. V., Nikitov S. A. Spin wave propagation in three-dimensional magnonic crystals and coupled structures // J. Magn. Magn. Mater. 2019. Vol. 476. P. 423–427. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.12.008.
  30. Khitun A., Bao M., Wang K. L. Magnonic logic circuits // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264005. DOI: 10.1088/0022-3727/43/26/264005.
  31. Zakeri K. Magnonic crystals: towards terahertz frequencies // J. Phys. Condens. Matter. 2020. Vol. 32, no. 36. P. 363001. DOI: 10.1088/1361-648X/ab88f2.
  32. Wang Z. K., Zhang V. L., Lim H. S., Ng S. C., Kuok M. H., Jain S., Adeyeye A. O. Observation of frequency band gaps in a one-dimensional nanostructured magnonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 94, no. 8. P. 083112. DOI: 10.1063/1.3089839.
  33. Sokolovskyy M. L., Krawczyk M. The magnetostatic modes in planar one-dimensional magnonic crystals with nanoscale sizes // J. Nanopart. Res. 2011. Vol. 13, no. 11. P. 6085–6091. DOI: 10.1007/ s11051-011-0303-5.
  34. Zhang V. L., Lim H. S., Lin C. S., Wang Z. K., Ng S. C., Kuok M. H., Jain S., Adeyeye A. O., Cottam M. G. Ferromagnetic and antiferromagnetic spin-wave dispersions in a dipole-exchange coupled bi-component magnonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99, no. 14. P. 143118. DOI: 10.1063/1.3647952.
  35. Duerr G., Madami M., Neusser S., Tacchi S., Gubbiotti G., Carlotti G., Grundler D. Spatial control of spin-wave modes in Ni80Fe20 antidot lattices by embedded Co nanodisks // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99, no. 20. P. 202502. DOI: 10.1063/1.3662841.
  36. Tacchi S., Duerr G., Klos J. W., Madami M., Neusser S., Gubbiotti G., Carlotti G., Krawczyk M., Grundler D. Forbidden band gaps in the spin-wave spectrum of a two-dimensional bicomponent magnonic crystal // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 109, no. 13. P. 137202. DOI: 10.1103/PhysRevLett. 109.137202.
  37. Gubbiotti G., Tacchi S., Madami M., Carlotti G., Jain S., Adeyeye A. O., Kostylev M. P. Collective spin waves in a bicomponent two-dimensional magnonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, no. 16. P. 162407. DOI: 10.1063/1.4704659.
  38. Zivieri R. Bandgaps and demagnetizing effects in a Py/Co magnonic crystal // IEEE Trans. Magn. 2014. Vol. 50, no. 11. P. 1100304. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2324174.
  39. Malago P., Giovannini L., Zivieri R., Gruszecki P., Krawczyk M. Spin-wave dynamics in permalloy/cobalt magnonic crystals in the presence of a nonmagnetic spacer // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92, no. 6. P. 064416. DOI: 10.1103/PhysRevB.92.064416.
  40. Gubbiotti G., Tacchi S., Madami M., Carlotti G., Yang Z., Ding J., Adeyeye A. O., Kostylev M. Collective spin excitations in bicomponent magnonic crystals consisting of bilayer permalloy/Fe nanowires // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 93, no. 18. P. 184411. DOI: 10.1103/PhysRevB.93.184411.
  41. Высоцкий С. Л., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Новицкий Н. Н., Дудко Г. М., Стогний А. И., Филимонов Ю. А. Поверхностные магнитостатические волны в пленках железо-иттриевого граната с поверхностной субволновой метаструктурой из пленки пермаллоя // ФТТ. 2020. Т. 62, № 9 (91347). С. 1494–1498. DOI: 10.21883/FTT.2020.09.49775.12H.
  42. Lazcano-Ortiz Z., Ordonez-Romero C. L., Domınguez-Juarez J. L., Monsivais G., Quintero-Torres R., Matatagui D., Fragoso-Mora J. R., Qureshi N., Kolokoltsev O. Magnonic crystal with strips of magnetic nanoparticles: Modeling and experimental realization via a dip-coating technique // Magnetochemistry. 2021. Vol. 7, no. 12. P. 155. DOI: 10.3390/magnetochemistry 7120155.
  43. Львов В. С. Нелинейные спиновые волны. М.: Наука, 1987. 272 с.
  44. Устинов А. Б., Григорьева Н.Ю., Калиникос Б. А. Наблюдение солитонов огибающей спиновых волн в периодических магнитных пленочных структурах // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88, № 1. С. 34–39.
  45. Дроздовский А. В., Черкасский М. А., Устинов А. Б., Ковшиков Н. Г., Калиникос Б. А. Образование солитонов огибающей при распространении спин-волновых пакетов в тонкопленочных магнонных кристаллах // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91, № 1. С. 17–22.
  46. Sheshukova S. E., Morozova M. A., Beginin E. N., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Formation of gap solitons in a finite magnonic crystal // Phys. Wave Phen. 2013. Vol. 21, no. 4. P. 304–309. DOI: 10.3103/S1541308X13040134.
  47. Grishin S. V., Moskalenko O. I., Pavlov A. N., Romanenko D. V., Sadovnikov A. V., Sharaevskii Y. P., Sysoev I. V., Medvedeva T. M., Seleznev E. P., Nikitov S. A. Space-quasiperiodic and time-chaotic parametric patterns in a magnonic quasicrystal active ring resonator // Phys. Rev. Appl. 2021. Vol. 16, no. 5. P. 054029. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.16.054029.
  48. Кившарь Ю. С., Агравал Г. П. Оптические солитоны. От волоконных световодов к фотонным кристаллам. М.: Физматлит, 2005. 648 с.
  49. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Наука, 1994. 464 с.
  50. Медников А. М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленках ЖИГ // ФТТ. 1981. Т. 23, № 1. С. 242–245.
  51. Темирязев А. Г. Механизм преобразования частоты поверхностной магнитостатической волны в условиях трехмагнонного распада // ФТТ. 1987. Т. 29, № 2. С. 313–319.
  52. Мелков Г. А., Шолом С. В. Параметрическое возбуждение спиновых волн поверхностной магнитостатической волной // ЖЭТФ. 1989. Т. 96, № 2(8). С. 712–719.
  53. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Издательство Саратовского университета, 1993. 312 с.
  54. Кожевников А. В., Дудко Г. М., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Высоцкий С. Л., Никулин Ю. В., Павлов Е. С., Хитун А. Г., Филимонов Ю. А. Влияние направления магнитного поля на спектр выходных сигналов спиновых волн при трехмагнонном распаде поверхностных магнитостатических волн в кресте на основе волноводов из пленки железо-иттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, № 2. С. 168–185. DOI: 10.18500/0869-6632-2020- 28-2-168-185. 
  55. Dewar G. Applicability of ferrimagnetic hosts to nanostructured negative index of refraction (lefthanded) materials // In: Proc. SPIE. Vol. 4806. Complex Mediums III: Beyond Linear Isotropic Dielectrics, 24 June 2002, Seattle, WA, United States. Washington, US: SPIE, 2002. P. 156–166. DOI: 10.1117/12.472980.
  56. Амельченко М. Д., Гришин С. В., Шараевский Ю. П. Быстрые и медленные электромагнитные волны в продольно намагниченном тонкопленочном ферромагнитном метаматериале // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45, № 23. С. 14–18. DOI: 10.21883/PJTF.2019.23.48712.17830.
  57. Sharaevskaya A. Y., Kalyabin D. V., Beginin E. N., Fetisov Y. K., Nikitov S. A. Surface spin waves in coupled easy-axis antiferromagnetic films // J. Magn. Magn. Mater. 2019. Vol. 475. P. 778–781. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.11.130.
  58. Belov P. A., Marques R., Maslovski S. I., Nefedov I. S., Silveirinha M., Simovski C. R., Tretyakov S. A. Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 67, no. 11. P. 113103. DOI: 10.1103/PhysRevB.67.113103.
  59. High Frequency Magnetics Software [Electronic resource]. Devon, UK: MaxLLG, Innovation Centre, University of Exeter, 2019. Available from: https://www.maxllg.com.
  60. Aziz M. M. Sub-nanosecond electromagnetic-micromagnetic dynamic simulations using the finite difference time-domain method // Progress In Electromagnetics Research B. 2009. Vol. 15, no. 15. P. 1–29. DOI: 10.2528/PIERB09042304.
  61. Садовников А. В., Рожнев А. Г. Моделирование распространения магнитостатических волн в одномерных магнонных кристаллах // Известия вузов. ПНД. 2012. Т. 20, № 1. С. 143–159. DOI: 10.18500/0869-6632-2012-20-1-143-159.
  62. Vansteenkiste A., Leliaert J., Dvornik M., Helsen M., Garcia-Sanchez F., Van Waeyenberge B. The design and verification of MuMax3 // AIP Advances. 2014. Vol. 4, no. 10. P. 107133. DOI: 10.1063/1.4899186.
Поступила в редакцию: 
01.08.2022
Принята к публикации: 
27.08.2022
Опубликована: 
30.09.2022