Известия высших учебных заведений

Прикладная нелинейная динамика

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

Для цитирования:

Кожевников А. В., Дудко Г. М., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Высоцкий С. Л., Никулин Ю. В., Селезнёв М. Е., Хитун А. Г., Филимонов Ю. А. Влияние зондирующего сигнала на спектр выходных сигналов нелинейных спиновых волн в кресте на основе волноводов из пленки железоиттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2021. Т. 29, вып. 5. С. 812-828. DOI: 10.18500/0869-6632-2021-29-5-812-828

Статья опубликована на условиях лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International (CC-BY 4.0).
Полный текст в формате PDF(Ru):
Иконка PDF kozhevnikov_et_al_812-828.pdf
(загрузок: 322)
Язык публикации: 
русский
Рубрика: 
Нелинейные волны. Солитоны. Автоволны. Самоорганизация.
Тип статьи: 
Научная статья
УДК: 
537.622.2; 537.862
DOI: 
10.18500/0869-6632-2021-29-5-812-828

Влияние зондирующего сигнала на спектр выходных сигналов нелинейных спиновых волн в кресте на основе волноводов из пленки железоиттриевого граната

Авторы: 
Кожевников Александр Владимирович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
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)
Высоцкий Сергей Львович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Никулин Юрий Васильевич, 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)
Хитун Александр Георгиевич, Университет Калифорнии
Филимонов Юрий Александрович, Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А. Котельникова РАН (СФ ИРЭ)
Аннотация: 

Тема. Изменение спектра спиновых волн в магнитном кресте при прохождении в нем двух сигналов: сигнала накачки и зондирующего сигнала. Цель работы – выявить особенности формирования спектров выходных сигналов спиновых волн в мультипортовой структуре на основе пленки железоиттриевого граната при возбуждении входной антенной одновременно двух магнитостатических волн: волны накачки и зондирующей волны, где мощность первой выше порога параметрической неустойчивости первого порядка. Методы. Исследовалось влияние зондирующего сигнала на спектр выходных сигналов спиновых волн четырехпортовой крестовидной структуры из пленки железоиттриевого граната в виде двух ортогональных волноводов с расположенными на концах проволочными антеннами спиновых волн, где одна из антенн на поперечно намагниченном волноводе являлась входной. Результаты. Обнаружено, что выбором частоты зондирующего сигнала можно существенно (на 10 дБ) менять на выходных антеннах относительные уровни сигналов волн-сателлитов, которые являются вторичными поверхностными магнитостатическими волнами и появляются в спектре выходных сигналов в результате беспороговых процессов слияния параметрических спиновых волн, рождаемых волнами накачки. При этом на выходных антеннах, расположенных на ортогональных волноводах, частоты вторичных волн могут различаться. Обсуждение. Обнаруженный эффект связывается с изменением заселенности параметрическими спиновыми волнами спектра мультипортовой структуры под влиянием зондирующего сигнала, а также с наличием у структуры фильтрующих свойств и эффектами невзаимного распространения спиновых волн в касательно намагниченных волноводах.

Ключевые слова: 
параметрические спиновые волны
интерференция спиновых волн
микроволновод
спинтроника
магноника
микромагнитное моделирование
Благодарности: 
Исследование выполнено при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект № 17-19-01673). Работа А. Хитуна была частично поддержана корпорацией INTEL (Премия #008635, спин-волновые вычисления, руководитель проекта – доктор Д. Е. Никонов). Авторы выражают благодарность А. Г. Рожневу за полезное обсуждение результатов работы.
Список источников: 
  1. Mahmoud A., Ciubotaru F., Vanderveken F., Chumak A. V., Hamdioui S., Adelmann C., Cotofana S. Introduction to spin wave computing // J. Appl. Phys. 2020. Vol. 128, no. 16. P. 161101. DOI: 10.1063/5.0019328.
  2. Bernstein K., Cavin R. K., Porod W., Seabaugh A., Welser J. Device and architecture outlook for beyond CMOS switches // Proc. IEEE. 2010. Vol. 98, no. 12. P. 2169–2184. DOI: 10.1109/JPROC.2010.2066530.
  3. Nikonov D. E., Young I. A. Overview of beyond-CMOS devices and a uniform methodology for their benchmarking // Proc. IEEE. 2013. Vol. 101, no. 12. P. 2498–2533. DOI: 10.1109/JPROC.2013.2252317.
  4. Roy K., Bandyopadhyay S., Atulasimha J. Hybrid spintronics and straintronics: A magnetic technology for ultra low energy computing and signal processing // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99, no. 6. P. 063108. DOI: 10.1063/1.3624900.
  5. Chumak A. V., Vasyuchka V. K., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics // Nature Physics. 2015. Vol. 11, no. 6. P. 453–461. DOI: 10.138.NPHYS3347.
  6. 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.
  7. Khitun A., Wang K. L. Non-volatile magnonic logic circuits engineering // J. Appl. Phys. 2011. Vol. 110, no. 3. P. 034306. DOI: 10.1063/1.3609062.
  8. Khitun A. Magnonic holographic devices for special type data processing // J. Appl. Phys. 2013. Vol. 113, no. 16. P. 164503. DOI: 10.1063/1.4802656.
  9. Хитун А. Г., Кожанов А. Е. Приборы магнонной логики // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия Физика. 2017. Т. 17, № 4. С. 216–241. DOI: 10.18500/1817-3020-2017-17-4-216-241.
  10. Nanayakkara K., Anferov A., Jacob A. P., Allen S. J., Kozhanov A. Cross junction spin wave logic architecture // IEEE Trans. Magn. 2014. Vol. 50, no. 11. P. 3402204. DOI: 10.1109/TMAG.2014.2320632.
  11. Kozhevnikov A., Gertz F., Dudko G., Filimonov Y., Khitun A. Pattern recognition with magnonic holographic memory device // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, no. 14. P. 142409. DOI: 10.1063/1.4917507.
  12. 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 // Sci. Rep. 2017. Vol. 7, no. 1. P. 11539. DOI: 10.1038/s41598-017-11881-y.
  13. Au Y., Davison T., Ahmad E., Keatley P. S., Hicken R. J., Kruglyak V. V. Excitation of propagating spin waves with global uniform microwave fields // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 98, no. 12. P. 122506. DOI: 10.1063/1.3571444.
  14. Bracher T., Pirro P., Westermann J., Sebastian T., Lagel B., Van de Wiele B., Vansteenkiste A., Hillebrands B. Generation of propagating backward volume spin waves by phase-sensitive mode conversion in two-dimensional microstructures // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102, no. 13. P. 132411. DOI: 10.1063/1.4800005.
  15. 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.
  16. Sadovnikov A. V., Davies C. S., Grishin S. V., Kruglyak V. V., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Magnonic beam splitter: The building block of parallel magnonic circuitry // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, no. 19. P. 192406. DOI: 10.1063/1.4921206.
  17. 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.
  18. 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/S0033849418100091.
  19. Хивинцев Ю. В., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Филимонов Ю. А., Хитун А. Интерференция спиновых волн в решетках из микроволноводов на основе пленок железоиттриевого граната // ЖТФ. 2019. Т. 89, № 11. С. 1712–1718. DOI: 10.21883/JTF.2019.11.48333.118-19. 
  20. Khivintsev Y. V., Kozhevnikov A. V., Dudko G. M., Sakharov V. K., Filimonov Y. A., Khitun A. G. Spin waves in YIG-based networks: Logic and signal processing // Phys. Metals Metallogr. 2019. Vol. 120, no. 13. P. 1318–1324. DOI: 10.1134/S0031918X1913012X.
  21. Gertz F., Kozhevnikov A. V., Filimonov Y. A., Nikonov D. E., Khitun A. Magnonic holographic memory: From proposal to device // IEEE Journal on Exploratory Solid-State Computational Devices and Circuits. 2015. Vol. 1. P. 67–75. DOI: 10.1109/JXCDC.2015.2461618.
  22. Khivintsev Y., Ranjbar M., Gutierrez D., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Prime factorization using magnonic holographic devices // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120, no. 12. P. 123901. DOI: 10.1063/1.4962740.
  23. 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 // J. Appl. Phys. 2017. Vol. 121, no. 2. P. 024504. DOI: 10.1063/1.4973115.
  24. Balynskiy M., Chiang H., Gutierrez D., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Khitun A. Reversible magnetic logic gates based on spin wave interference // J. Appl. Phys. 2018. Vol. 123, no. 14. P. 144501. DOI: 10.1063/1.5011772.
  25. Balinskiy M., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Balandin A. A., Khitun A. A spin-wave magnetometer with a positive feedback // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 514. P. 167046. DOI: 10.1016/j.jmmm.2020.167046.
  26. Gutierrez D., Chiang H., Bhowmick T., Volodchenkov A. D., Ranjbar M., Liu G., Jiang C., Warren C., Khivintsev Y., Filimonov Y., Garay J., Lake R., Balandin A. A., Khitun A. Magnonic holographic imaging of magnetic microstructures // J. Magn. Magn. Mater. 2017. Vol. 428. P. 348–356. DOI: 10.1016/j.jmmm.2016.12.022.
  27. Chumak A. V., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon transistor for all-magnon data processing // Nature Communications. 2014. Vol. 5, no. 1. P. 4700. DOI: 10.1038/ncomms5700.
  28. Ustinov A. B., Kalinikos B. A. The power-dependent switching of microwave signals in a ferrite film nonlinear directional coupler // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 89, no. 17. P. 172511. DOI: 10.1063/1.2362576.
  29. Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Morozova M. A., Sharaevskii Y. P., Grishin S. V., Sheshukova S. E., Nikitov S. A. Nonlinear spin wave coupling in adjacent magnonic crystals // Appl. Phys. Lett. 2016. Vol. 109, no. 4. P. 042407. DOI: 10.1063/1.4960195.
  30. 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.
  31. Bracher T., Pirro P. An analog magnon adder for all-magnonic neurons // J. Appl. Phys. 2018. Vol. 124, no. 15. P. 152119. DOI: 10.1063/1.5042417.
  32. 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.
  33. Nakane R., Tanaka G., Hirose A. Reservoir computing with spin waves excited in a garnet film // IEEE Access. 2018. Vol. 6. P. 4462–4469. DOI: 10.1109/ACCESS.2018.2794584.
  34. Кожевников А. В., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Высоцкий С. Л., Никулин Ю. В., Павлов Е. С., Филимонов Ю. А., Хитун А. Г. Влияние параметрических процессов на распространение спиновых волн в крестовидных структурах на основе волноводов из пленок железоиттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2019. Т. 27, № 3. С. 9–32. DOI: 10.18500/0869-6632-2019-27-3-9-32.
  35. Кожевников А. В., Дудко Г. М., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Высоцкий С. Л., Никулин Ю. В., Павлов Е. С., Хитун А. Г., Филимонов Ю. А. Влияние направления магнитного поля на спектр выходных сигналов спиновых волн при трехмагнонном распаде поверхностных магнитостатических волн в кресте на основе волноводов из пленки железо-иттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, № 2. С. 168–185. DOI: 10.18500/0869-6632-2020-28-2-168-185.
  36. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: ФИЗМАТЛИТ, 1994. 464 с.
  37. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Издательство Cаратовского университета, 1993. 312 c.
  38. Медников А. М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленках ЖИГ // ФТТ. 1981. Т. 23, № 1. С. 242–245.
  39. 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 железоиттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2019. T. 27, № 2. С. 39–60. DOI: 10.18500/0869-6632-2019-27-2-39-60.
  40. Темирязев А. Г. Механизм преобразования поверхностной магнитостатической волны в условиях трехмагнонного распада // ФТТ. 1987. Т. 29, № 2. С. 313–319.
  41. Казаков Г. Т., Кожевников А. В., Филимонов Ю. А. Влияние параметрически возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание поверхностных магнитостатических волн в ферритовых пленках // ЖЭТФ. 1999. Т. 115, № 1. С. 318–332. DOI: 10.1134/1.558780.
  42. Казаков Г. Т., Кожевников А. В., Филимонов Ю. А. Стимуляция трехмагнонного распада магнитостатических волн дополнительной локальной накачкой // Письма в ЖТФ. 1995. Т. 21, № 14. С. 47–52.
Поступила в редакцию: 
07.12.2020
Принята к публикации: 
01.02.2021
Опубликована: 
30.09.2021
  • 1793 просмотра