Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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

Для цитирования:

Хутиева А. Б., Грачев А. А., Бегинин Е. Н., Садовников А. В. Распространение спиновых волн в решетке латерально и вертикально связанных ЖИГ-микроволноводов при изменении угла намагничивания в линейном и нелинейном режимах // Известия вузов. ПНД. 2024. Т. 32, вып. 1. С. 57-71. DOI: 10.18500/0869-6632-003084, EDN: TPROZK

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF and_2024-1_khutieva-et-al_57-71.pdf
(загрузок: 0)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Прикладные задачи нелинейной теории колебаний и волн
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.611.2
DOI: 
10.18500/0869-6632-003084
EDN: 
TPROZK

Распространение спиновых волн в решетке латерально и вертикально связанных ЖИГ-микроволноводов при изменении угла намагничивания в линейном и нелинейном режимах

Авторы: 
Хутиева Анна Борисовна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
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)
Садовников Александр Владимирович, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского (СГУ)
Аннотация: 

Цель. Исследование совместного проявления эффектов анизотропного распространения сигнала, связи и нелинейной зависимости параметров среды от мощности в решетке латерально и вертикально связанных микроволноводов спиновых волн. Рассмотрение случая влияния вращения угла намагничивания и изменения латерального зазора между микроволноводами, расположенными на одной подложке, на поперечный профиль спин-волнового пучка и пространственную локализацию амплитуды спиновых волн.

Методы. Методом микромагнитного моделирования на основе численного решения уравнения Ландау–Лифшица–Гильберта показана возможность управления направлением распространения спиновых волн в ансамбле латерально и вертикально связанных микроволноводов железоиттриевого граната путем изменения угла намагничивания. Методом численного интегрирования системы связанных дискретных нелинейных уравнений Шрёдингера показана возможность изменения поперечного профиля спин-волнового пучка при изменении уровня начальной амплитуды сигнала.

Результаты. Полученные в микромагнитном моделировании пространственные распределения компонент динамической намагниченности спиновых волн, возбуждаемых в двух микроволноводах, расположенных на одной подложке, свидетельствуют об изменении характера локализации их мощности в выходных секциях микроволноводов. При вариации угла намагничивания решетки наблюдается сдвиг величины пороговой мощности, при которой появляется характерное обужение поперечной ширины спин-волнового пучка в нелинейном режиме.

Заключение. При возбуждении поверхностной магнитостатической спиновой волны в решетке латерально и вертикально связанных микроволноводов наблюдается трансформация поперечного профиля волны при отклонении угла намагничивания структуры на 15º , что проявляется в изменении длины волны и ее локализации в каждом из микроволноводов. Совместное проявление эффектов дипольной связи, гиротропии и нелинейности среды позволяют управлять величиной пороговой мощности спиновых волн, при которой в отдельно взятом слое структуры реализуется режим бездифракционного распространения спин-волнового пучка.

Ключевые слова: 
спиновая волна
микромагнитное моделирование
система уравнений связанных волн
спин-волновой пучок
дискретная дифракция
Благодарности: 
Работа выполнена при поддержке Российского научного фонда (РНФ) в соответствии с проектом № 23-79-30027
Список источников: 
  1. Chumak A. V., Kabos P., Wu M., Abert C., Adelmann C., Adeyeye A. O., 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., K ¨ los 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., ˆ 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. Advances in magnetics roadmap on spin-wave computing // IEEE Transactions on Magnetics. 2022. Vol. 58, no. 6. P. 0800172. DOI: 10.1109/TMAG.2022.3149664.
  2. Prabhakar A., Stancil D. D. Spin Waves: Theory and Applications. New York: Springer, 2009. 348 p. DOI: 10.1007/978-0-387-77865-5.
  3. Wang Q., Kewenig M., Schneider M., Verba R., Kohl F., Heinz B., Geilen M., Mohseni M., Lagel B., Ciubotaru F., Adelmann C., Dubs C., Cotofana S. D., Dobrovolskiy O. V., Bracher T., Pirro P., Chumak A. V. A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders // Nature Electronics. 2020. Vol. 3, no. 12. P. 765–774. DOI: 10.1038/s41928-020-00485-6.
  4. Vogt K., Schultheiss H., Jain S., Pearson J. E., Hoffmann A., Bader S. D., Hillebrands B. Spin waves turning a corner // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101, no. 4. P. 042410. DOI: 10.1063/1.4738887.
  5. 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, no. 1. P. 11539. DOI: 10.1038/s41598-017-11881-y.
  6. Raskhodchikov D., Bensmann J., Nikolaev K. O., Lomonte E., Jin L., Steeger P., Preuß J. A., Schmidt R., Schneider R., Kern J., de Vasconcellos S. M., Bratschitsch R., Demokritov S. O., Pernice W. H. P., Demidov V. E. Propagation of spin waves in intersecting yttrium iron garnet nanowaveguides // Phys. Rev. Applied. 2022. Vol. 18, no. 5. P. 054081. DOI: 10.1103/ PhysRevApplied.18.054081.
  7. Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Sharaevskii Y. P., Stognij A. I., Novitski N. N., Sakharov V. K., Khivintsev Y. V., Nikitov S. A. Route toward semiconductor magnonics: Lightinduced spin-wave nonreciprocity in a YIG/GaAs structure // Phys. Rev. B. 2019. Vol. 99, no. 5. P. 054424. DOI: 10.1103/PhysRevB.99.054424.
  8. Martyshkin A. A., Davies C. S., Sadovnikov A. V. Magnonic interconnections: Spin-wave propagation across two-dimensional and three-dimensional junctions between yttrium iron garnet magnonic stripes // Phys. Rev. Applied. 2022. Vol. 18, no. 6. P. 064093. DOI: 10.1103/PhysRevApplied. 18.064093.
  9. 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.
  10. Sasaki H., Mikoshiba N. Directional coupling of magnetostatic surface waves in a layered structure of YIG films // J. Appl. Phys. 1981. Vol. 52, no. 5. P. 3546–3552. DOI: 10.1063/1.329134.
  11. Morozova M. A., Sharaevskaya A. Y., Sadovnikov A. V., Grishin S. V., Romanenko D. V., Beginin E. N., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Band gap formation and control in coupled periodic ferromagnetic structures // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120, no. 22. P. 223901. DOI: 10.1063/1.4971410.
  12. Дудко Г. М., Филимонов Ю. А. Самофокусировка ограниченных пучков обратных объемных магнитостатических волн в ферромагнитных плёнках: численный эксперимент // Известия вузов. ПНД. 1997. Т. 5, № 6. С. 29–40. 
  13. 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.
  14. 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.
  15. Ganguly A. K., Vittoria C. Magnetostatic wave propagation in double layers of magnetically anisotropic slabs // J. Appl. Phys. 1974. Vol. 45, no. 10. P. 4665–4667. DOI: 10.1063/1.1663113.
  16. Puszkarski H. Theory of interface magnons in magnetic multilayer films // Surface Science Reports. 1994. Vol. 20, no. 2. P. 45–110. DOI: 10.1016/0167-5729(94)90011-6.
  17. Gubbiotti G., Sadovnikov A., Beginin E., Nikitov S., Wan D., Gupta A., Kundu S., Talmelli G., Carpenter R., Asselberghs I., Radu I. P., Adelmann C., Ciubotaru F. Magnonic band structure in vertical meander-shaped Co40Fe40B20 thin films // Phys. Rev. Applied. 2021. Vol. 15, no. 1. P. 014061. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.15.014061.
  18. 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.
  19. Sadovnikov A. V., Odintsov S. A., Sheshukova S. E., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Nonlinear lateral spin-wave transport in planar magnonic networks // IEEE Magnetics Letters. 2018. Vol. 9. P. 3707105. DOI: 10.1109/LMAG.2018.2874349.
  20. Вашковский А. В., Стальмахов А. В. Дисперсия магнитостатических волн в двухслойных структурах феррит–феррит // Радиотехника и электроника. 1984. Т. 29, № 5. С. 901–907.
  21. Grachev A. A., Sheshukova S. E., Kostylev M. P., Nikitov S. A., Sadovnikov A. V. Reconfigurable dipolar spin-wave coupling in a bilateral yttrium iron garnet structure // Phys. Rev. Applied. 2023. Vol. 19, no. 5. P. 054089. DOI: 10.1103/PhysRevApplied.19.054089.
  22. Odincov S. A., Grachev A. A., Nikitov S. A., Sadovnikov A. V. Intensity and magnetization angle reconfigurable lateral spin-wave coupling and transport // Journal of Magnetism and Magnetic Materials. 2020. Vol. 500. P. 166344. DOI: 10.1016/j.jmmm.2019.166344.
  23. Gurevich A. G., Melkov G. A. Magnetization Oscillations and Waves. London: CRC Press, 1996. 456 p.
  24. Lederer F., Stegeman G. I., Christodoulides D. N., Assanto G., Segev M., Silberberg Y. Discrete solitons in optics // Phys. Rep. 2008. Vol. 463, no. 1–3. P. 1–126. DOI: 10.1016/j.physrep.2008. 04.004.
  25. Кившарь Ю. С., Агравал Г. П. Оптические солитоны. От волоконных световодов до фотонных кристаллов. М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 648 с.
  26. Садовников А. В., Грачев А. А., Бегинин Е. Н., Одинцов С. А., Шешукова С. Е., Шараевский Ю. П., Сердобинцев А. А., Митин Д. М., Никитов С. А. Связанные спиновые волны в индуцированных упругими деформациями магнитных волноводах в структуре ЖИГ-пьезоэлектрик // Письма в Журнал экспериментальной и теоретической физики. 2017. Т. 106, № 7. С. 445–450. DOI: 10.7868/S0370274X17190092.
  27. Sasaki H., Mikoshiba N. Directional coupling of magnetostatic surface waves in layered magnetic thin films // Electronics Letters. 1979. Vol. 15, no. 6. P. 172–174. DOI: 10.1049/el:19790121.
  28. Зависляк И. В., Тычинский А. В. Физические основы функциональной микроэлектроники. Киев: УМК ВО, 1989. 105 с.
  29. 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.
  30. Gubbiotti G. Three-Dimensional Magnonics: Layered, Micro- and Nanostructures. New York: Jenny Stanford Publishing, 2019. 416 p. DOI: 10.1201/9780429299155.
Поступила в редакцию: 
17.07.2023
Принята к публикации: 
20.11.2023
Опубликована онлайн: 
27.12.2023
Опубликована: 
31.01.2024
  • 297 просмотров