Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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


Для цитирования:

Дудко Г. М., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Кожевников А. В., Высоцкий С. Л., Селезнёв М. Е., Филимонов Ю. А. Микромагнитное моделирование эффекта самофокусировки обратных объемных магнитостатических волн в пленках железоиттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 2. С. 302-316. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-2-302-316

Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 10)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.562.2; 537.862
DOI: 
10.18500/0869-6632-2021-29-2-302-316

Микромагнитное моделирование эффекта самофокусировки обратных объемных магнитостатических волн в пленках железоиттриевого граната

Авторы: 
Дудко Галина Михайловна, 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)
Селезнёв Михаил Евгеньевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Филимонов Юрий Александрович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Аннотация: 

Тема. Проведено микромагнитное моделирование распространения волновых пучков обратных объемных магнитостатических волн, возбуждаемых антенной, помещенной в центре пленки железоиттриевого граната. Цель работы – численными методами исследовать фокусировку пучка обратных объемных магнитостатических волн с ростом амплитуды возбуждающего поля на антенне в условиях, когда для этих волн разрешены только четырехмагнонные процессы. Методы. Задача решалась с помощью микромагнитного моделирования конечно-разностным методом решения уравнения Ландау–Лифшица с использованием пакета программ OOMMF. Результаты. Показано, что в зависимости от положения частоты сигнала в спектре обратных объемных магнитостатических волн рост амплитуды входного сигнала выше некоторого порога может приводить как к эффекту фокусировки волнового пучка за счет развития модуляционной неустойчивости, так и к пространственно-временной хаотизации распределения амплитуды в пучке из-за четырехмагнонных распадных процессов. Смена характера неустойчивости пучка обратных объемных магнитостатических волн при изменении частоты связывается с изменением углового спектра пучка и характера взаимодействия обратных объемных магнитостатических волн с латеральными («ширинными») модами пленки. Полученные результаты могут быть использованы при анализе эффектов распространения нелинейных спиновых волн в пленочных волноводах на основе железоиттриевого граната.

Список источников: 
  1. 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.
  2. Вашковский А. В., Стальмахов А. В., Тюлюкин В. А., Шахназарян Д. Г. О возможности применения методов геометрической оптики к созданию приборов на магнитостатических волнах // Радиотехника и электроника. 1990. Т. 35, № 12. С. 2606–2610.
  3. Вашковский А. В., Стальмахов В.С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Издательство Саратовского университета, 1993. 312 c.
  4. 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, № 10. C. 1099–1128. DOI: 10.3367/UFNe.0185.201510m.1099.
  5. Csaba G., Papp A., and 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.
  6. Toedt J.-N., Mundkowski M., Heitmann D., Mendach S., Hansen W. Design and construction of a spin-wave lens // Sci. Rep. 2016. Vol. 6, no. 1. P. 33169. DOI: 10.1038/srep33169.
  7. Dzyapko O., Borisenko I. V., Demidov V. E., Pernice W., Demokritov S. O. Reconfigurable heatinduced spin wave lenses // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 109, no. 23. P. 232407. DOI: 10.1063/1.4971829.
  8. Grafe J., Decker M., Keskinbora K., Noske M., Gawronski P., Stoll H., Back C. H., Goering E. J., ¨ Schutz G. ¨ X-Ray microscopy of spin wave focusing using a Fresnel zone plate // Phys. Rev. B. 2020. Vol. 102. P. 024420. DOI: 10.1103/PhysRevB.102.024420.
  9. Whitehead N. J., Horsley S. A. R., Philbin T. G., Kruglyak V. V. A Luneburg lens for spin waves // Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 113, no. 21. P. 212404. DOI: 10.1063/1.5049470.
  10. 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. 5. P. 152403. DOI: 10.1063/1.5050347.
  11. 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.
  12. Albisetti E., Tacchi S., Silvani R., Scaramuzzi G., Finizio S., Wintz S., Rinaldi C., Cantoni M., Raabe J., Carlotti G., Bertacco R., Riedo E., Petti D. Optically inspired nanomagnonics with nonreciprocal spin waves in synthetic antiferromagnets // Adv. Mater. 2020. Vol. 32, no. 9. P. 1906439. DOI: 10.1002/adma.201906439.
  13. 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.
  14. Demidov V. E., 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, no. 1. P. 014429. DOI: 10.1103/PhysRevB.80.014429.
  15. 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, no. 19. P. 197203. DOI: 10.1103/PhysRevLett.104.197203.
  16. Davies C. S., Sadovnikov A. V., Grishin S. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A., Kruglyak V. V. Generation of propagating spin waves from regions of increased dynamic demagnetising field near magnetic antidots // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, no. 16. P. 162401. DOI: 10.1063/1.4933263.
  17. 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, no. 10. P. 102409. DOI: 10.1063/1.4795293.
  18. Divinskiy B., Thiery N., Vila L., Klein O., Beaulieu N., Ben Youssef J., Demokritov S. O., Demidov V. E. Sub-micrometer near-field focusing of spin waves in ultrathin YIG films // Appl. Phys. Lett. 2020. Vol. 116, no. 6. P. 062401. DOI: 10.1063/1.5131689.
  19. 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, no. 1. P. 22367. DOI: 10.1038/srep22367.
  20. Madami M., Gubbiotti G., Khivintsev Y. V., Dudko G. M., Sakharov V. K., Kozhevnikov A. V., Filimonov Y. A., Khitun A. G. Spin waves interference under excitation by focusing transducers: logic and signal processing // Semiconductors. 2020. Vol. 54, no. 12, P. 1716– 1720. DOI: 10.1134/S1063782620120192.
  21. Heussner F., Serga A. A., Bracher T., Hillebrands B., Pirro P. ¨ A switchable spin-wave signal splitter for magnonic networks // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 111, no. 12. P. 122401. DOI: 10.1063/1.4987007.
  22. Papp A., Porod W., Csurgay ´ A. I., Csaba G. ´ Nanoscale spectrum analyzer based on spin-wave interference // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, no. 1. P. 9245. DOI: 10.1038/s41598-017-09485-7.
  23. Demidov V. E., Kostylev M. P., Rott K., Krzysteczko P., Reiss G., and Demokritov S. O. Generation of the second harmonic by spin waves propagating in microscopic stripes // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 83, no. 5. P. 054408. DOI: 10.1103/PhysRevB.83.054408.
  24. Звездин А. К., Попков А. Ф. К нелинейной теории магнитостатических спиновых волн // ЖЭТФ. 1983. Т. 84, № 2. C. 606–615.
  25. Boyle J. W., Nikitov S. A., Boardman A. D., Booth J. G., Booth K. Nonlinear self-channeling and beam shaping of magnetostatic waves in ferromagnetic films // Phys. Rev. B. 1996. Vol. 53, no. 18. P. 12173–12181. DOI: 10.1103/PhysRevB.53.12173.
  26. Bauer M., Mathieu C., Demokritov S. O., Hillebrands B., Kolodin P. A., Sure S., Dotsch H., ¨ Grimalsky V., Rapoport Yu., Slavin A. N. Direct observation of two-dimensional self-focusing of spin waves in magnetic films // Phys. Rev. B. 1997. Vol. 56, no. 14. P. R8483. DOI: 10.1103/PhysRevB.56.R8483.
  27. Bauer M., Buttner O., Demokritov S. O., Hillebrands B., Grimalsky V., Rapoport Yu., Slavin A. N. ¨ Observation of spatiotemporal self-focusing of spin waves in magnetic films // Phys. Rev. Lett. 1998. Vol. 81, no. 17. P. 3769. DOI: 10.1103/PhysRevLett.81.3769.
  28. Buttner O., Bauer M., Demokritov S. O., Hillebrands B., Kostylev M.P., Kalinikos B.A., Slavin A.N. ¨ Collisions of spin wave envelope solitons and self-focused spin wave packets in yttrium iron garnet films // Phys. Rev. Lett. 1999. Vol. 82, no. 21. P. 4320–4323. DOI: 10.1103/PhysRevLett.82.4320.
  29. Donahue M., Porter D. Object Oriented Micro Magnetic Framework (OOMMF). Interagency Report NISTIR 6376, National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, Sept. 1999. 897 p. Access mode: www.math.nist.gov/oommf.
  30. Дудко Г. М., Филимонов Ю. А. Численное исследование явлений самовоздействия ограниченных пучков обратных объемных магнитостатических волн в ферромагнитных пленках // Известия вузов. ПНД. 1999. Т. 7, № 2–3. С. 17–28.
  31. Pramanik T., Roy U., Tsoi M., Register L. F., Banerjee S. K. Micromagnetic simulations of spinwave normal modes and the spin-transfer-torque driven magnetization dynamics of a ferromagnetic cross // J. Appl. Phys. 2014. Vol. 115, no. 17. P. 17D123. DOI: 10.1063/1.4863384.
  32. Schultheiss K., Verba R., Wehrmann F., Wagner K., Korber L., Hula T., Hache T., K ¨ akay A., ´ Awad A. A., Tiberkevich V., Slavin A. N., Fassbender J., and Schultheiss H. Excitation of whispering gallery magnons in a magnetic vortex // Phys. Rev. Lett. 2019. Vol. 122, no. 9. P. 097202. DOI: 10.1103/PhysRevLett.122.097202.
  33. Mohseni M., Kewenig M., Verba R., Wang Q., Schneider M., Heinz B., Kohl F., Dubs C., Lagel B., ¨ Serga A. A., Hillebrands B., Chumak A.V., Pirro P. Parametric generation of propagating spinwaves in ultra thin yttrium iron garnet waveguides // Physica Status Solidi (RRL) – Rapid Research Letters. 2020. Vol. 14, no. 4. P. 2000011. DOI: 10.1002/pssr.202000011.
  34. 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 // Известия вузов. ПНД. 2019. Т. 27, № 2. С. 39–60. DOI: 10.18500/0869-6632-2019-27-2-39-60.
  35. Kalinikos B. A., Slavin A. N. Theory of dipole-exchange spin wave spectrum for ferromagnetic films with mixed exchange boundary conditions // J. Phys. C: Solid State Phys. 1986. Vol. 19, no. 35. P. 7013–7033. DOI: 10.1088/0022-3719/19/35/014.
  36. O’Keeffe T. W., Patterson R. W. Magnetostatic surface-wave propagation in finite samples // J. Appl. Phys. 1978. Vol. 49, no. 9. P. 4886–4895. DOI: 10.1063/1.325522.
  37. Dvornik M. Numerical investigations of spin waves at the nanoscale. PhD thesis. University of Exeter, 2011. P. 58–79. DOI: 10036/3304.
Поступила в редакцию: 
14.12.2020
Принята к публикации: 
29.01.2021
Опубликована: 
31.03.2021