Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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

Для цитирования:

Грачев А. А., Бегинин Е. Н., Мартышкин А. А., Хутиева А. Б., Фильченков И. О., Садовников А. В. Нелинейный резонанс Фано в связанной системе магнонный микроволновод – резонатор // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 2. С. 254-271. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-2-254-271

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF grachev.pdf
(загрузок: 1194)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Новое в прикладной физике
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
530.182
DOI: 
10.18500/0869-6632-2021-29-2-254-271

Нелинейный резонанс Фано в связанной системе магнонный микроволновод – резонатор

Авторы: 
Грачев Андрей Андреевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Бегинин Евгений Николаевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Мартышкин Александр Александрович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Хутиева Анна Борисовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Фильченков Игорь Олегович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Садовников Александр Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Аннотация: 

Целью проводимых исследований является изучение характеристик резонанса Фано в связанной системе нелинейных магнонных микроволноводов и резонаторов в зависимости от геометрических параметров систем, величины связи между ними и интенсивности спиновых волн. Методы. В качестве объекта исследования рассмотрены линейные и нелинейные спин-волновые возбуждения в латеральных системах нерегулярных микроволноводов и резонаторов на основе пленок железоиттриевого граната. С помощью микромагнитного моделирования спин-волновых возбуждений и численного интегрирования системы уравнений связанных волн рассчитаны передаточные характеристики системы «микроволновод – резонатор» и параметры резонанса Фано с учетом кубической нелинейности магнитных сред. Результаты. На основе численного интегрирования системы уравнений связанных волн, учитывающих кубическую нелинейность магнитной среды, проведены теоретические исследования зависимостей передаточных и фазовых характеристик системы «микроволновод – резонатор» от интенсивности поверхностных спиновых волн. Исследованы особенности проявления конструктивной и деструктивной интерференции спиновых волн при резонансе Фано. Установлены зависимости характеристик параметров нелинейного резонанса Фано (коэффициента асимметричности, сдвигов резонансных частот) от интенсивности спин-волновых возбуждений. Обсуждение. Полученные результаты могут быть использованы для создания на основе латеральной системы магнитных волноводов спин-волновых демультиплексеров, делителей мощности и ответвителей СВЧ-сигнала, порогового элемента для нейроморфных сетей и т. д.

Ключевые слова: 
спиновые волны
магноника
магнитные структуры
Фано резонанс
Список источников: 
  1. Fano U. Effects of configuration interaction on intensities and phase shifts // Phys. Rev. 1961. Vol. 124, no. 6. P. 1866–1878. DOI: 10.1103/PhysRev.124.1866.
  2. Miroshnichenko A. E., Flach S., Kivshar Y. S. Fano resonances in nanoscale structures // Rev. Mod. Phys. 2010. Vol. 82, no. 3. P. 2257–2298. DOI: 10.1103/RevModPhys.82.2257.
  3. Kamenetskii E., Sadreev A., Miroshnichenko A. E. Fano Resonances in Optics and Microwaves. Vol. 219 of Springer Series in Optical Sciences. Springer International Publishing, 2018. 582 p. DOI: 10.1007/978-3-319-99731-5.
  4. Galli M., Portalupi S. L., Belotti M., Andreani L. C., O’Faolain L., Krauss T. F. Light scattering and Fano resonances in high-Q photonic crystal nanocavities // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 94, no. 7. P. 071101. DOI: 10.1063/1.3080683.
  5. Zhou W. et al. Progress in 2D photonic crystal Fano resonance photonics // Prog. Quantum Electron. 2014. Vol. 38, no. 1. P. 1–74. DOI: 10.1016/j.pquantelec.2014.01.001.
  6. Chibaa A., Fujiwara H., Hotta J., Takeuchi S., Sasaki K. Fano resonance in a multimode tapered fiber coupled with a microspherical cavity // Appl. Phys. Lett. 2005. Vol. 86, no. 26. P. 261106. DOI: 10.1063/1.1951049.
  7. Fan S. Sharp asymmetric line shapes in side-coupled waveguide-cavity systems // Appl. Phys. Lett. 2002. Vol. 80, no. 6. P. 908–910. DOI: 10.1063/1.1448174.
  8. Butet J., Martin O. J. F. Fano resonances in the nonlinear optical response of coupled plasmonic nanostructures // Opt. Express. 2014. Vol. 22, no. 24. P. 29693–29707. DOI: 10.1364/OE.22.029693.
  9. Ortuno R., Cortijo M., Mart ˜ ´inez A. Fano resonances and electromagnetically induced transparency in silicon waveguides loaded with plasmonic nanoresonators // J. Opt. 2017. Vol. 19, no. 2. P. 025003. DOI: 10.1088/2040-8986/aa51e0.
  10. Cardoso J. L., Pereyra P. Spin inversion devices operating at Fano anti-resonances // EPL. 2008. Vol. 83, no. 3. P. 38001. DOI: 10.1209/0295-5075/83/38001.
  11. Djafari-Rouhani B., Al-Wahsh H., Akjouj A., Dobrzynski L. One-dimensional magnonic circuits with size-tunable band gaps and selective transmission // Journal of Physics: Conference Series. 2011. Vol. 303, no. 1. P. 012017. DOI: 10.1088/1742-6596/303/1/012017.
  12. Al-Wahsh H. Existence and collapse of Fano resonances as a function of pinning field in simple mono-mode magnetic circuits // Eur. Phys. J. B. 2010. Vol. 73, no. 4. P. 527–537. DOI: 10.1140/epjb/e2010-00032-7.
  13. Kroner M., Govorov A. O., Remi S., Biedermann B., Seidl S., Badolato A., Petroff P. M., Zhang W., Barbour R., Gerardot B. D., Warburton R. J., Karrai K. The nonlinear Fano effect // Nature. 2008. Vol. 451, no. 7176. P. 311–314. DOI: 10.1038/nature06506.
  14. Miroshnichenko A. E., Mingaleev S. F., Flach S., Kivshar Y. S. Nonlinear Fano resonance and bistable wave transmission // Phys. Rev. E. 2005. Vol. 71, no. 3. P. 036626. DOI: 10.1103/PhysRevE.71.036626.
  15. Nazari F., Bender N., Ramezani H., Moravvej-Farshi M. K., Christodoulides D. N., Kottos T. Optical isolation via PT-symmetric nonlinear Fano resonances // Opt. Express. 2014. Vol. 22, no. 8. P. 9574–9584. DOI: 10.1364/OE.22.009574.
  16. Yu Y., Chen Y., Hu H., Xue W., Yvind K., Mork J. Nonreciprocal transmission in a nonlinear photonic-crystal Fano structure with broken symmetry // Laser & Photonics Reviews. 2015. Vol. 9, no. 2. P. 241–247. DOI: 10.1002/lpor.201400207.
  17. Yu Y., Heuck M., Hu H., Xue W., Peucheret C., Chen Y., Oxenløwe L. K., Yvind K., Mørk J. Fano resonance control in a photonic crystal structure and its application to ultrafast switching // Appl. Phys. Lett. 2014. Vol. 105, no. 6. P. 061117. DOI: 10.1063/1.4893451.
  18. Yu Y., Xue W., Semenova E., Yvind K., Mork J. Demonstration of a self-pulsing photonic crystal Fano laser // Nature Photon. 2017. Vol. 11, no. 2. P. 81–84. DOI: 10.1038/nphoton.2016.248.
  19. Mork J., Chen Y., Heuck M. Photonic crystal Fano laser: Terahertz modulation and ultrashort pulse generation // Phys. Rev. Lett. 2014. Vol. 113, no. 16–17. P. 163901. DOI: 10.1103/PhysRevLett.113.163901.
  20. Joe Y. S., Satanin A. M., Kim C. S. Classical analogy of Fano resonances // Phys. Scr. 2006. Vol. 74, no. 2. P. 259–266. DOI: 10.1088/0031-8949/74/2/020.
  21. Dogkas L., Kamalakis T., Alexandropoulos D. Analytical model for active racetrack resonators with intracavity reflections and its application in Fano resonance tailoring // Appl. Opt. 2018. Vol. 57, no. 17. P. 4824–4831. DOI: 10.1364/AO.57.004824.
  22. Sander D., Valenzuela S. O., Makarov D., Marrows C. H., Fullerton E. E., Fischer P., McCord J., Vavassori P., Mangin S., Pirro P., Hillebrands B., Kent A. D., Jungwirth T., Gutfleisch O., Kim C. G., Berger A. The 2017 magnetism roadmap // Journal of Physics D: Applied Physics. 2017. Vol. 50, no. 36. P. 363001. DOI: 10.1088/1361-6463/aa81a1.
  23. Khitun A., Bao M., Wang K. L. Magnonic logic circuits // Journal of Physics D: Applied Physics. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264005. DOI: 10.1088/0022-3727/43/26/264005.
  24. 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.
  25. 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. Т. 185, № 10. С. 1099–1128. DOI: 10.3367/UFNr.0185.201510m.1099.
  26. 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.
  27. Patton C. E. Magnetic excitations in solids // Physics Reports. 1984. Vol. 103, no. 5. P. 251–315. DOI: 10.1016/0370-1573(84)90023-1.
  28. Stancil D. D., Prabhakar A. Spin Waves: Theory and Applications. Springer US, 2009. 348 p. DOI: 10.1007/978-0-387-77865-5.
  29. De Wames R. E., Wolfram T. Dipole-exchange spin waves in ferromagnetic films // J. Appl. Phys. 1970. Vol. 41, no. 3. P. 987–993. DOI: 10.1063/1.1659049.
  30. Harris V. G., Geiler A., Chen Y., Yoon S. D., Wu M., Yang A., Chen Z., He P., Parimi P. V., Zuo X., Patton C. E., Abe M., Acher O., Vittoria C. Recent advances in processing and applications of microwave ferrites // J. Magn. Magn. Mater. 2009. Vol. 321, no. 14. P. 2035–2047. DOI: 10.1016/j.jmmm.2009.01.004.
  31. Chrisey D. et al. Microwave magnetic film devices // Thin Films. 2001. Vol. 28. P. 319–374. DOI: 10.1016/S1079-4050(01)80023-5.
  32. Beginin E. N., Sadovnikov A. V., Sharaevskaya A. Y., Stognij A. I., Nikitov S. A. Spin wave steering in three-dimensional magnonic networks // Appl. Phys. Lett. 2018. Vol. 112, no. 12. P. 122404. DOI: 10.1063/1.5023138.
  33. Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Directional multimode coupler for planar magnonics: Side-coupled magnetic stripes // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, no. 20. P. 202405. DOI: 10.1063/1.4936207.
  34. Rousseau O., Rana B., Anami R., Yamada M., Miura K., Ogawa S., Otani Y. Realization of a micrometre-scale spin-wave interferometer // Sci. Rep. 2015. Vol. 5. P. 9873. DOI: 10.1038/srep09873.
  35. Ustinov A. B., Drozdovskii A. V., Kalinikos B. A. Multifunctional nonlinear magnonic devices for microwave signal processing // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96, no. 14. P. 142513. DOI: 10.1063/1.3386540.
  36. Scott M. M., Patton C. E., Kostylev M. P., Kalinikos B. A. Nonlinear damping of high-power magnetostatic waves in yttrium–iron–garnet films // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95, no. 11. P. 6294. DOI: 10.1063/1.1699503.
  37. Kruglyak V. V. et al. Graded Magnonic Index and Spin Wave Fano Resonances in Magnetic Structures: Excite, Direct, Capture. Spin Wave Confinement: Propagating Waves, Second Edition, 2017. P. 11–46. DOI: 10.1201/9781315110820.
  38. Высоцкий С. Л., Дудко Г. М., Никитов С. А., Новицкий Н. Н., Сахаров В. К., Стогний А. И., Хивинцев Ю. В., Филимонов Ю. А. Резонансные свойства магнитных периодических структур: резонансы Брэгга, Вуда, Фано // Материалы XX Международного симпозиума «Нанофизика и наноэлектроника», 2016. C. 170–171.
  39. 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.
  40. Damon R. W., Eshbach J. R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1961. Vol. 19, no. 3–4. P. 308–320. DOI: 10.1016/0022-3697(61)90041-5.
  41. Radic S., George N., Agrawal G. P. Analysis of nonuniform nonlinear distributed feedback structures: generalized transfer matrix method // IEEE Journal of Quantum Electronics. 1995. Vol. 31, no. 7. P. 1326–1336. DOI: 10.1109/3.391098.
  42. Meloche E., Cottam M. G. Thermal properties of surface and bulk spin waves in uniaxial and nonuniaxial metamagnetic films // Phys. Rev. B. 2004. Vol. 70, no. 9. P. 094423. DOI: 10.1103/PhysRevB.70.094423.
Поступила в редакцию: 
10.09.2020
Принята к публикации: 
22.10.2020
Опубликована: 
31.03.2021
  • 2900 просмотров