Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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


Для цитирования:

Морозова М. А., Матвеев О. В. Резонансные и нелинейные явления при распространении магнитостатических волн в мультиферроидных, полупроводниковых и металлизированных структурах на основе ферромагнитных плёнок и магнонных кристаллов // Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, вып. 5. С. 534-553. DOI: 10.18500/0869-6632-003003

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: 
Обзорная статья
УДК: 
537.622.4, 537.87, 537.226.4, 621.315.592
EDN: 

Резонансные и нелинейные явления при распространении магнитостатических волн в мультиферроидных, полупроводниковых и металлизированных структурах на основе ферромагнитных плёнок и магнонных кристаллов

Авторы: 
Морозова Мария Александровна, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Матвеев Олег Валерьевич, Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского
Аннотация: 

Целью данной работы является составление обзора нового и плодотворного научного направления в магнонике, которое выросло из работ доктора физико-математических наук, профессора Юрия Павловича Шараевского и связано с исследованиями резонансных и нелинейных явлений при распространении магнитостатических волн в ферромагнитных плёнках, ферромагнитных плёнках с периодическими неоднородностями (магнонных кристаллах), связанных (слоистых и латеральных) ферромагнитных структурах, а также ферромагнитных структурах со слоями другой физической природы (полупроводниковыми, сегнетоэлектрическими, пьезоэлектрическими, слоями нормального металла). Методы. Использованы экспериментальные и теоретические методы исследования спин-волновых возбуждений в широком классе структур с ферромагнитными слоями. В частности, экспериментальные радиофизические методы СВЧ-измерений и оптические методы мандельштам-бриллюэновской спектроскопии. Для построения теоретических моделей использованы: метод связанных волн, метод сшивания магнитных проницаемостей на границах слоёв, метод матриц передачи, длинноволновое приближение. Результаты. Представленные результаты имеют общенаучное значение для понимания основных закономерностей совместного влияния связи, периодичности и взаимодействий разной физической природы (влияние на магнитостатическую волну деформации в периодических структурах с пьезоэлектриком, электромагнитной волны в структурах с сегнетоэлектриком, электрического тока в структурах с полупроводником, спинового тока в структурах с нормальным металлом). В прикладном плане выявленные эффекты открывают широкие возможности для создания новых устройств спин-волновой электроники с возможностью динамического управления характеристиками при изменении электрического и магнитного поля, а также мощности входного сигнала. Выводы. Приведен обзор наиболее интересных результатов, полученных авторами совместно с Юрием Павловичем Шараевским и являющихся идейным продолжением заложенных им основ.

Благодарности: 
Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда, грант №19-79-20121 (экспериментальные исследования) и Российского фонда фундаментальных исследований, грант №19-29-03049-мк (теоретические исследования)
Список источников: 
  1. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике СВЧ. Саратов: Издательство Саратовского университета, 1993. 312 с.
  2. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Наука, 1994. 464 с.
  3. Barman A., Gubbiotti G., Ladak S., Adeyeye A. O., Krawczyk M., Grafe J., Adelmann C., Cotofana S., Naeemi A., Vasyuchka V. I., Hillebrands B., Nikitov S. A., Yu H., Grundler D., Sadovnikov A. V., Grachev A. A., Sheshukova S. E., Duquesne J.-Y., Marangolo M., Csaba G., Porod W., Demidov V. E., Urazhdin S., Demokritov S. O., Albisetti E., Petti D., Bertacco R., Schultheiss H., Kruglyak V. V., Poimanov V. D., Sahoo S., Sinha J., Yang H., Munzenberg M., Moriyama T., Mizukami S., Landeros P., Gallardo R. A., Carlotti G., Kim J.-V., Stamps R. L., Camley R.E., Rana B., Otani Y., Yu W., Yu T., Bauer G.E.W., Back C., Uhrig G.S., Dobrovolskiy O.V., Budinska B., Qin H., van Dijken S., Chumak A. V., Khitun A., Nikonov D. E., Young I. A., Zingsem B. W., Winklhofer M. The 2021 magnonics roadmap // J. Phys. Condens. Matter. 2021. Vol. 33, no. 41. P. 413001. DOI: 10.1088/1361-648X/abec1a.
  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. Т. 185, № 10. С. 1099–1128. DOI: 10.3367/UFNr.0185.201510m.1099.
  5. Никитов С. А., Сафин А. Р., Калябин Д. В., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Логунов М. В., Морозова М. А., Одинцов С. А., Осокин С. А., Шараевская А.Ю., Шараевский Ю. П., Кирилюк А. И. Диэлектрическая магноника — от гигагерцев к терагерцам // УФН. 2020. Т. 190, № 10. С. 1009–1040. DOI: 10.3367/UFNr.2019.07.038609.
  6. Гуляев Ю. В., Никитов С. А. Магнонные кристаллы — спиновые волны в периодических структурах // Доклады Академии наук. 2001. Т. 380, № 4. С. 469–471.
  7. Chumak A. V., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics // Nature Physics. 2015. Vol. 11, no. 6. P. 453–461. DOI: 10.1038/nphys3347.
  8. Krawczyk M., Grundler D. Review and prospects of magnonic crystals and devices with reprogrammable band structure // J. Phys. Condens. Matter. 2014. Vol. 26, no. 12. P. 123202. DOI: 10.1088/0953-8984/26/12/123202.
  9. Шараевский Ю. П., Морозова М. А., Гришин С. В. Магнитостатические волны в электронике СВЧ // В кн.: Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Т. 2. Нестационарные и хаотические процессы / под ред. Трубецкова Д. И., Храмова А. Е., Короновского А. А. Гл. 11. М.: Физматлит, 2009. С. 348–379.
  10. Chumak A. V., Serga A. A., Hillebrands B. Magnonic crystals for data processing // J. Phys. D. Appl. Phys. 2017. Vol. 50, no. 24. P. 244001. DOI: 10.1088/1361-6463/aa6a65. 
  11. 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.
  12. Sharaevsky Y. P., Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Morozova M. A., Sheshukova S. E., Sharaevskaya A. Y., Grishin S. V., Romanenko V., Nikitov S. A. Coupled spin waves in magnonic waveguides // In: Demokritov S. O. (ed) Spin Wave Confinement: Propagating Waves. 2nd ed. Ch. 2. New York: CRC Press, 2017. P. 47–76. DOI: 10.1201/9781315110820-3.
  13. 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.
  14. Nikitin A. A., Nikitin A. A., Kondrashov A. V., Ustinov A. B., Kalinikos B. A., Lahderanta E. Theory of dual-tunable thin-film multiferroic magnonic crystal // J. Appl. Phys. 2017. Vol. 122, no. 15. P. 153903. DOI: 10.1063/1.5000806.
  15. Бухараев A. А., Звездин А. К., Пятаков А. П., Фетисов Ю. К. Стрейнтроника — новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах // УФН. 2018. Т. 188, № 12. С. 1288–1330. DOI: 10.3367/UFNr.2018.01.038279.
  16. Гуляев Ю. В., Никитов С. А. Распространение поверхностных магнитостатических волн в пленках феррита с периодической полупроводниковой структурой // ФТТ. 1983. Т. 25, № 8. С. 2515–2517.
  17. Sidorenko A. Functional Nanostructures and Metamaterials for Superconducting Spintronics: From Superconducting Qubits to Self-Organized Nanostructures. Cham: Springer, 2018. 270 p. DOI: 10.1007/978-3-319-90481-8.
  18. Zhou Y., Jiao H., Chen Y.-T., Bauer G. E. W., Xiao J. Current-induced spin-wave excitation in Pt/YIG bilayer // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88, no. 18. P. 184403. DOI: 10.1103/PhysRevB.88.184403.
  19. Wang Q., Pirro P., Verba R., Slavin A., Hillebrands B., Chumak A. V. Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler // Science Advances. 2018. Vol. 4, no. 1. P. e1701517. DOI: 10.1126/sciadv. 1701517.
  20. Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Шешукова С. Е., Жаманова М. К. Исследование эффектов самовоздействия магнитостатических волн в ферромагнитной структуре на основе системы уравнений Шредингера с когерентной или некогерентной связью // ФТТ. 2012. Т. 54, № 8. С. 1478–1486.
  21. Бегинин Е. Н., Морозова М. А., Шараевский Ю. П. Нелинейные эффекты самовоздействия волн в 2D-связанных ферромагнитных структурах // ФТТ. 2010. Т. 52, № 1. С. 76–82.
  22. Шараевский Ю. П., Малюгина М. А., Яровая Е. В. Модуляционная неустойчивость поверхностных магнитостатических волн в структурах типа ферромагнетик–диэлектрик– ферромагнетик // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 3. С. 33–39.
  23. Morozova M. A., Romanenko D. V., Matveev O. V., Grishin S. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Suppression of periodic spatial power transfer in a layered structure based on ferromagnetic films // J. Magn. Magn. Mater. 2018. Vol. 466. P. 119–124. DOI: 10.1016/j.jmmm.2018.06.077.
  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. Букесов С. А., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Поверхностные магнитостатические волны в структуре с периодическими границами // Тез. Докл. III Всесоюзной школы — семинара «Спинволновая электроника СВЧ». Краснодар, 1987. С. 31–32.
  26. Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Шешукова С. Е. Механизмы формирования солитонов огибающей в периодических ферромагнитных структурах // Известия вузов. ПНД. 2010. Т. 18, № 5. С. 111–120. DOI: 10.18500/0869-6632-2010-18-5-111-120.
  27. Morozova M. A., Sadovnikov A. V., Matveev O. V., Sharaevskaya A. Y., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Band structure formation in magnonic Bragg gratings superlattice // J. Phys. D. Appl. Phys. 2020. Vol. 53, no. 39. P. 395002. DOI: 10.1088/1361-6463/ab95c0.
  28. Morozova M. A., Matveev O. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A., Sadovnikov A. V. Nonlinear signal processing with magnonic superlattice with two periods // Appl. Phys. Lett. 2022. Vol. 120, no. 12. P. 122407. DOI: 10.1063/5.0083133.
  29. Morozova M. A., Grishin S. V., Sadovnikov A. V., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Band gap control in a line-defect magnonic crystal waveguide // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, no. 24. P. 242402. DOI: 10.1063/1.4937440.
  30. 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.
  31. Morozova M. A., Grishin S. V., Sadovnikov A. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Magnonic bandgap control in coupled magnonic crystals // IEEE Trans. Magn. 2014. Vol. 50, no. 11. P. 4007204. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2321611.
  32. Морозова М. А., Матвеев О. В., Шараевский Ю. П. Распространение импульсов в нелинейной системе на основе связанных магнонных кристаллов // ФТТ. 2016. Т. 58, № 10. С. 1899–1906.
  33. Morozova M.A., Matveev O.V., Romanenko D.V., Trukhanov A.V., Mednikov A.M., Sharaevskii Y.P., Nikitov S.A. Nonlinear spin wave switches in layered structure based on magnonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 508. P. 166836. DOI: 10.1016/j.jmmm.2020.166836.
  34. Прокушкин В. Н., Шараевский Ю. П. Поверхностные магнитостатические волны в ферритовой структуре с импедансными границами // Радиотехника и электроника. 1987. Т. 32, № 8. С. 1750–1752.
  35. Прокушкин В. Н., Шараевский Ю. П. Влияние реактивной импедансной нагрузки на характеристики магнитостатических волн // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38, № 9. С. 1551–1553.
  36. Morozova M. A., Romanenko D. V., Serdobintsev A. A., Matveev O. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Magnonic crystal-semiconductor heterostructure: Double electric and magnetic fields control of spin waves properties // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 514. P. 167202. DOI: 10.1016/j.jmmm. 2020.167202.
  37. Матвеев О. В., Романенко Д. В., Морозова М. А. Линейные и нелинейные эффекты в структурах на основе магнонных кристаллов и полупроводников // Письма в ЖЭТФ. 2022. Т. 115, № 5–6. С. 379–383. DOI: 10.31857/S1234567822060052.
  38. Morozova M. A., Grishin S. V., Sadovnikov A. V., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Tunable bandgaps in layered structure magnonic crystal–ferroelectric // IEEE Trans. Magn. 2015. Vol. 51, no. 11. P. 2802504. DOI: 10.1109/TMAG.2015.2446763.
  39. Морозова М. А., Матвеев О. В., Шараевский Ю. П., Никитов С. А. Управление запрещенными зонами в слоистой структуре магнонный кристалл–сегнетоэлектрик–магнонный кристалл // ФТТ. 2016. Т. 58, № 2. С. 266–272.
  40. Grachev A. A., Matveev O. V., Mruczkiewicz M., Morozova M. A., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Sadovnikov A. V. Strain-mediated tunability of spin-wave spectra in the adjacent magnonic crystal stripes with piezoelectric layer // Appl. Phys. Lett. 2021. Vol. 118, no. 26. P. 262405. DOI: 10.1063/5.0051429.
  41. Морозова М. А., Матвеев О. В., Романенко Д. В., Шараевский Ю. П., Никитов С. А. Устройство на магнитостатических волнах для пространственного разделения СВЧ–сигналов разного уровня мощности. Патент № 2702916 С1 Российская Федерация, МПК H01P 1/22 : заявл. 07.05.2019 : опубл. 14.10.2019. Заявитель: ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. 13 с. 
  42. Бегинин Е. Н., Садовников А. В., Попов П. А., Шараевская А.Ю., Калябин Д. В., Стогний А. И., Морозова М. А., Никитов С. А. Функциональный компонент магноники на многослойной ферромагнитной структуре. Патент № 2702915 С1 Российская Федерация, МПК H01P 1/218 : заявл. 25.01.2019 : опубл. 14.10.2019. Заявитель: ИРЭ им В. А. Котельникова РАН. 11 с.
  43. Морозова М. А., Матвеев О. В., Романенко Д. В., Медников А. М. Наноразмерные мультиферроики для применения в магнонной нейроморфной архитектуре // Наноиндустрия. 2021. Т. 14, № S7(107). С. 685–687. DOI: 10.22184/1993-8578.2021.14.7s.685.687. 
Поступила в редакцию: 
04.06.2022
Принята к публикации: 
23.06.2022
Опубликована: 
30.09.2022