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., 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, вып. 2. С. 39-60. DOI: 10.18500/0869-6632-2019-27-2-39-60

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
(загрузок: 158)
Язык публикации: 
русский
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.622.2; 537.862
DOI: 
10.18500/0869-6632-2019-27-2-39-60

Микромагнитное моделирование нелинейного взаимодействия латеральных магнитостатических мод в крестовидных структурах на основе волноводов из пленок железо-иттриевого 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)
Хитун Александр Георгиевич, Калифорнийский университет в Риверсайде
Аннотация: 

Тема. В работе рассмотрены параметрические процессы в системе преимущественно дипольных магнитостатических волн (МСВ) касательно намагниченной в поле H = 460 Э крестовидной структуры из двух ортогональных волноводов из пленок железо-иттриевого граната с расположенными на концах микрополосковыми преобразователями. Одна из антенн, расположенная на конце поперечно намагниченного волновода, считалась входной и использовалась для возбуждения МСВ частотой 3 ГГц. Цель. Проанализировать спектральные и амплитудные характеристики МСВ на выходных антеннах в зависимости от амплитуды возбуждающего поля, выявить особенности развития параметрических процессов второго порядка в крестовидной структуре. Методы. Поставленная задача решалась с помощью микромагнитного моделирования конечно-разностным методом решения уравнения Ландау–Лифшица с использованием пакета программ OOMMF. Результаты. Показано, что с ростом амплитуды входного сигнала выше некоторого порога характер зависимости амплитуды МСВ на выходных антеннах от амплитуды на входе становится существенно нелинейным, а в спектре волны появляются интенсивные сателлиты, симметрично расположенные относительно частоты накачки на расстояниях от десятка до сотен МГц. Указанные изменения связываются с развитием параметрической неустойчивости второго порядка в системе латеральных мод крестовидной структуры. Обсуждение.Полученные результаты могут быть использованы для создания сетевых структур спиновых волноводов в устройствах многоуровневой реверсивной логики.

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. T. 185, № 10. C. 1099–1128, DOI: 10.3367/UFNr.0185.201510m.1099.
  2. Beginin E.N., Sadovnikov A.V., Sharaevskaya A.Yu., Stognij A.I., Nikitov S.A. Spin wave steering in three-dimensional magnonic networks // Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112. P. 122404.
  3. Sadovnikov A.V., Grachev A.A., Sheshukova S.E., Sharaevskii Yu.P., Serdobintsev A.A., Mitin D.M., Nikitov S.A. Magnon straintronics: Reconfigurable spin-wave routing in strain-controlled bilateral magnetic stripes // Phys. Rev. Lett. 2018. Vol. 120. P. 257203.
  4. O’Keeffe T.W., Patterson R.W. Magnetostatic surface-wave propagation in finite samples // J. Appl. Ptys. 1978. Vol. 49, № 9. Pp. 4886–4895. 
  5. Высоцкий С.Л., Никитов С.А., Филимонов Ю.А., Хивинцев Ю.В. Гибридизация спин-волновых мод ферромагнитной микрополоски // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88, № 7. С. 534–538.
  6. Высоцкий С.Л., Дудко Г.М., Джумалиев А.С., Кожевников А.В., Никулин Ю.В., Сахаров В.К., Хивинцев Ю.В., Филимонов Ю.А., Хитун А.Г., Никитов С.А. Спектр ферромагнитного резонанса решетки ортогональных пермаллоевых микроволноводов // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 9, С. 986–991, DOI: 10.1134/S0033849418090255.
  7. Гречушкин К.В., Стальмахов А.В., Тюлюкин В.А. Волноводное распространение магнитостатических волн // Письма в ЖТФ. 1988. Т. 14, № 21. С. 1973.
  8. Wang Q., Zhang H., Ma G., Liao Y., Zheng Y., Zhong Z. Position dependent spin wave spectrum in nanostrip magnonic waveguides // Journal of Applied Physics. 2014. Vol. 115. P. 133906, DOI: 10.1063/1.4870448.
  9. Collet M., Gladii O., Evelt M., Bessonov V., Soumah L., Bortolotti P., Demokritov S.O., Henry Y., Cros V., Bailleul M., Demidov V.E., Anane A. Spin-wave propagation in ultra-thin YIG based waveguides // Appl. Phys. Lett. 2017. Vol. 110. P. 092408, DOI: 10.1063/1.4976708.
  10. Demidov V.E., Demokritov S.O., Rott K., Krzysteczko P., Reiss G. Mode interference and periodic self-focusing of spin waves in permalloy microstripes // Phys. Rev. B. 2008. Vol. 77. P. 064406, DOI: 10.1103/PhysRevB.77.064406.
  11. Pirro P., Bracher T., Vogt K., Obry B., Schultheiss H., Leven B., Hillebrands B. Interference of coherent spin waves in micron-sized ferromagnetic waveguide // Phys. Status Solidi B. 2011. Vol. 248. Pp. 2404–2408, DOI: 10.1002/pssb.201147093.
  12. Rousseau O., Rana B., Anami R., Yamada M., Miura K., Ogawa S., Otani Y. Realization of a micrometre-scale spin-wave interferometer // Scientific Reports. 2015. Vol. 5. P. 09873, DOI: 10.1038/srep09873.
  13. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. Москва: Физматлит, 1994. 464 с.
  14. Schulz M. Spin-wave correlator // J. Appl. Phys. 1972. Vol. 43. P. 4752.
  15. Казаков Г.Т., Котелянский И.М., Маряхин А.В., Филимонов Ю.А., Хивинцев Ю.В. Свертка поверхностных магнитоупругих волн в пленках Ga, Sc-замещенного железоиттриевого граната // Радиотехника и электроника. 2005. Т. 50, № 1. С. 62–73.
  16. Казаков Г.Т., Пылаев Е.С. Комбинационное преобразование частоты встречных магнитостатических волн с возбуждением сверхсветовых волн намагничивания // Письма в ЖТФ. 1983. Т. 9, № 20. С. 1240.
  17. Ващенко В.И., Зависляк И.В. Трехволновые взаимодействия магнитостатических волн // Известия вузов. Радиофизика. 1989. Т. 32, № 1. С. 41–48.
  18. Ulrichs H., Demidov V.E., Demokritov S.O., Urazhdin S. Parametric excitation of eigenmodes in microscopic magnetic dots // Phys. Rev. B. 2011. Vol. 84. P. 094401.
  19. Bracher T., Pirro P., Obry B., Leven B., Serga A.A., Hillebrands B. Mode selective parametric excitation of spin waves in NiFe microstripe // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99. P. 162501.
  20. Guo F., Belova L.M., McMichaely R.D. Parametric pumping of precession modes in ferromagnetic nanodisks // Physical Review B. 2014. Vol. 89. P. 104422, DOI: 10.1103/PhysRevB.89.104422.
  21. Bauer H.G., Majchrak P., Kachel T., Back C.H., Woltersdorf G. Nonlinear spin-wave excitations at low magnetic bias fields // Nature Communications. 2015. Vol. 6. P. 8274, DOI: 10.1038/ncomms9274.
  22. Ciubotaru F., Serga A.A., Leven B., Hillebrands B. Mechanism of nonlinear spin-wave excitation from a microwave-driven nanocomtact // Physical Review B. 2001. Vol. 84. P. 144424, DOI: 10.1103/PhysRevB.84.144424.
  23. Roy U., Pramanik T., Tsoi M., Register L.F., Banerjee S.K. Micromagnetic study of spin-transfertorque switching of a ferromagnetic cross towards multi-state spin-transfer-torque based random access memory// Journal of Applied Physics. 2013. Vol. 113. P. 223904, DOI: 10.1063/1.4811230.
  24. Davies C.S, Francis A., Sadovnikov A.V., Chertopalov S.V., Bryan M.T., Grishin S.V., Allwood D.A., Sharaevskii Y.P., Nikitov S.A., Kruglyak V.V. Towards graded-index magnonics: Steering spin waves in magnonic networks // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92, no. 2. P. 020408, DOI: 10.1103/PhysRevB.92.020408.
  25. Sadovnikov A.V., Beginin E.N., Sheshukova S.E., Romanenko D.V., Sharaevski Yu.P., Nikitov S.A. Directional multimode coupler for planar magnonics: Side-coupled magnetic stripes // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107. P. 202405, DOI: 10.1063/1.493620.
  26. Дудко Г.М., Кожевников А.В., Хивинцев Ю.В., Филимонов Ю.А., Хитун А.Г., Никитов С.А. Микромагнитное моделирование распространения спиновых волн в касательно намагниченных крестах на основе ферритовых микроволноводов различной ширины // Радиотехника и электроника. 2018. Т. 63, № 10. С. 1105–1109, DOI: 10.1134/S0033849 181000 91.
  27. Sadovnikov A.V., Beginin E.N., Morozova M.A., Sharaevski Yu.Pi, Grishin S.V., Sheshukova S.E., Nikitov S.A. Nonlinear spin wave coupling in adjacent magnonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 109. P. 042407, DOI: 10.1063/1.4960195.
  28. Sadovnikov A.V., Odintsov S.A., Beginin E.N., Sheshukova S.E., Sharaevskii Yu.P., and Nikitov S.A. Toward nonlinear magnonics: Intensity-dependent spin-wave switching in insulating sidecoupled magnetic stripes // Phys. Rev. B. 2017. Vol. 96. P. 144428, DOI: 10.1103/PhysRevB.96.144428.
  29. 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. С. 29–34.
  30. Donahue M. and Porter D. Object Oriented Micro Magnetic Framework (OOMMF). Interagency Report NISTIR 6376. National Institute of Standards and Technology. Gaithersburg: MD, Sept. 1999. 897 p. www. math.nist.gov/oommf/
  31. Khitun A.G., Kozhanov A.E. Magnonic logic devices // Известия Cарат. университета. Новая серия. Серия Физика. 2017. Т. 17, вып. 4, С. 216–241 (на англ.).
  32. Klingler S., Pirro P., Bracher T., Leven B., Hillebrands B., Chumak A.V. Spin-wave logic devices based on isotropic forward volume magnetostatic waves // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106. P. 212406, DOI:10.1063/1.4921850.
  33. Nanayakkara K., Anferov A., Jacob A.P., Allen S.J., Kozhanov A. Cross junction spin wave logic architecture // IEEE Trans. Magnetics. 2014. Vol. 50. P. 3402204, DOI: 10.1109/TMAG.2014.2320632.
  34. 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 // Journal of Applied Physics. 2017. Vol. 121. P. 024504, DOI:10.1063/1.4973115.
  35. 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. P. 11539.
  36. Magpar – Parallel Finite Element Micromagnetics Package Version 0.9 Build 3061M (2002). www.magpar.net/static/magpar/doc/html/index.html
  37. Stancil D.D., Prabhakar A. Spin Waves: Theory and Applications. Springer Science+Business Media, 2009. LLC, no. 2008936559, DOI 10.1007/978-0-387-77865-5.
  38. 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. P. 7013.
  39. Сахаров В.К., Хивинцев Ю.В., Высоцкий С.Л., Стогний А.И., Дудко Г.М., Филимонов Ю.А. Влияние мощности входного сигнала на распространение поверхностных магнитостатических волн в пленках железо-иттриевого граната на подложках кремния // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2017. Т. 25, № 1. С. 35–51, DOI: 10.18500/0869-6632- 2017-25-1-35-51.
  40. Jorzick J., Demokritov S.O., Hillebrands B., Bailleul M., Fermon C., Guslienko K.Y., Slavin A.N., Berkov D.V., Gorn N.L. Spin Wave Wells in Nonellipsoidal Micrometer Size Magnetic Elements // Phys. Rev. Lett. 2002. Vol. 88. P. 047204, DOI: 10.1103/PhysRevLett.88.047204.
  41. Галишников А.А., Дудко Г.М., Кожевников А.В., Марселли Р., Никитов С.А., Филимонов Ю.А. Эффекты самовоздействия при распространении импульсов поверхностных магнитостатических волн в структуре феррит-диэлектрик-металл // Известия вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2006 Т. 14, № 3. С. 3–33, DOI: 10.18500/0869-6632-2006-14-3-3-33.
  42. Marcelli R., Nikitov S.A., Filimonov Yu.A., Galishnikov A.A., Kozhevnikov A.V., Dudko G.M. Magnetostatic surface wave bright solitons propagation in ferrite-dielectric-metal structure // IEEE Trans. Magnetics. 2006. Vol. 42, № 7. Pp. 1785–1801, DOI: 10.1109/TMAG.2006.87200.
  43. 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, № 2. С. 330–338.
  44. Казаков Г.Т., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Влияние параметрически возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание поверхностных магнитостатических волн в ферритовых пленках // Журнал экспериментальной и теоретической физики. 1999. Т. 115, № 1. С. 318.
Поступила в редакцию: 
11.12.2018
Принята к публикации: 
20.02.2019
Опубликована: 
24.04.2019
Краткое содержание:
(загрузок: 122)