Размещено на http://www.allbest.ru/

Київський національний університет

імені Тараса Шевченка

Автореферат

Параметричне відновлення сигналу пружно розсіяних спінових хвиль та коливань

01.04.03 - радіофізика

Чумак Андрій Васильович

Київ - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі кріогенної та мікроелектроніки радіофізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор

Мелков Геннадій Андрійович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор

Зависляк Ігор Володимирович

Київський національний університет імені Тараса Шевченка,

доктор фізико-математичних наук, професор

Калита Віктор Михайлович

Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”,

загальна характеристика роботи

Дослідження магнітовпорядкованих діелектриків (феритів) є перспективними з точки зору пошуку нових фізичних процесів, придатних для обробки та передачі інформації в надвисокочастотному (НВЧ) діапазоні частот. Це зумовлено широким частотним діапазоном їх власних збуджень, можливістю легкого керування дисперсійними характеристиками та наявністю цілого спектру нелінійних взаємодій. Головною трудністю на шляху використання приладів на основі феритів є досить високі параметри затухання хвиль. Відомо, що основний вклад в ширину лінії феромагнітного резонансу, навіть в найбільш високоякісних зразках залізо-ітрієвого гранату (ЗІГ), вносять двомагнонні процеси релаксації, які являють собою пружне розсіювання спінових хвиль та коливань на неоднорідностях середовища. Частоти початкового та розсіяного магнонів при цьому є однаковими, а їх хвильові числа співвідносяться через розмір неоднорідності. За рахунок розсіювання пакету хвиль, збудженого зовнішнім високочастотним імпульсом, в системі з'являється набір нових хвиль з випадковими хвильовими векторами та спектром частот, що визначається тривалістю вхідного сигналу. В результаті, макроскопічний сигнал, який є сумою всіх хвиль з урахуванням їх фаз, розфасовується і зникає ще до того, як енергія перейде від магнітної системи до фононної. В представленій дисертаційній роботі показано, що процес двомагнонної релаксації можна обернути і, таким чином, відновити втрачений сумарний сигнал спінових хвиль та коливань. Це може бути використано для створення цілого ряду приладів обробки НВЧ інформації, таких як активні лінії затримки, підсилювачі, інвертори часового профілю сигналу, тощо.

В дисертації запропоновані та теоретично описані методи обернення двомагнонної релаксації та відновлення макроскопічних сигналів за рахунок параметричної взаємодії пружно розсіяних спінових хвиль та коливань з електромагнітною накачкою.

Актуальність теми зумовлена потребою пошуку нових фізичних процесів та середовищ, що можуть бути використані для обробки та передачі інформації. Вивчення лінійної та нелінійної динаміки спінових збуджень в феромагнітних структурах дозволяє запропонувати цілий ряд нових приладів для обробки сигналів в НВЧ діапазоні та покращити характеристики існуючих. Спільність фізичної сутності явищ, що досліджуються, з явищами інших областей фізики дозволяє поширити отримані результати та висновки далеко за межі спінхвильової динаміки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота над дисертацією виконувалась в рамках держбюджетної науково-дослідної роботи 01БФ052-01 “Енергетично ефективні методи передачі та обробки сигналів НВЧ та оптичного діапазонів” (№ держреєстрації: 0101U002878), та в рамках проекту Державного фонду фундаментальних досліджень Ф7/320-2001 “Обернення процесів релаксації обумовлених пружним розсіянням хвиль та коливань” (№ держреєстрації: 0101U006388). Дослідження проводилися за підтримки Науково-технологічного центру в Україні (Science and Technology Center in Ukraine, грант №3066).

Мета роботи і завдання дослідження: розвиток теорії відновлення макроскопічного сигналу спінових хвиль та коливань в анізотропних феромагнітних середовищах з неоднорідностями. Об'єктом дослідження є процес параметричної взаємодії спінових хвиль та коливань, утворених в результаті двомагнонного розсіювання, з паралельною електромагнітною накачкою. За безпосередній предмет досліджень було вибрано сигнали перевипромінення та луни магнітостатичних мод дипольно-обмінних спінових хвиль.

У роботі розв'язувалися наступні задачі:

1. Побудова теоретичної моделі, яка б одночасно описувала відновлення сигналу методами створення фазово-спряженого імпульсу та частотно-селективного підсилення.

2. Розв'язок задачі відновлення імпульсного надвисокочастотного сигналу за участі дипольно-обмінних спінових хвиль, збуджених в результаті двомагнонного розсіювання магнітостатичних хвиль на неоднорідностях зразка. Врахування впливу кристалографічної анізотропії.

3. Побудова аналітичної моделі подвійного обернення хвильового фронту (ОХФ) спінових хвиль в феритових плівках.

4. Розв'язок задачі обернення хвильового фронту в невзаємному середовищі на прикладі поверхневих магнітостатичних хвиль (ПМСХ).

Побудова теоретичної моделі явища параметричного відновлення сигналу з дипольно-обмінних щілин спектру поверхневих магнітостатичних хвиль. магнітостатичний кристалографічний анізотропія феритовий

5. Чисельне моделювання роботи магнітостатичних ліній затримки на основі феромагнітних плівок.

6. Розв'язок задачі нерезонансного обернення хвильового фронту спінових хвиль при використанні накачки з частотою не рівною подвоєній частоті вхідного сигналу.

Методи дослідження: Метод плоских хвиль та власних коливань при розв'язку рівнянь руху намагніченості; метод повільних амплітуд при створенні аналітичних моделей; методи числового розв'язку систем диференціальних рівнянь при дослідженні ліній затримки на базі плівок ЗІГ.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в роботі вперше:

1. Запропоновано та теоретично досліджено обернення двомагнонної релаксації за рахунок параметричного обернення хвильового фронту спінових хвиль, що були пружно розсіяні на неоднорідностях зразка. Знайдено коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації. Пояснено принципову роль анізотропії в процесі обернення двомагнонної релаксації та при генерації луни магнітостатичних мод.

2. Визначено оптимальні умови та параметри відновлення сигналів двома принципово різними способами: за рахунок частотно-селективного підсилення (сигнал перевипромінення) та шляхом створення фазово-спряженого імпульсу (луна магнітостатичних мод). Побудовано теоретичну модель, що описує відновлення сигналу обома методами одночасно при використанні одного імпульсу накачки.

3. Теоретично описано подвійне обернення хвильового фронту дипольно-обмінних спінових хвиль, вказано на переваги такого методу в порівнянні з одинарним ОХФ.

4. Передбачено та теоретично проаналізовано явище обернення хвильового фронту в невзаємному середовищі на прикладі поверхневих магнітостатичних хвиль. Визначено вплив величини хвильового числа взаємодіючих ПМСХ на коефіцієнт обернення.

5. Створено теоретичну модель явища відновлення сигналу з щілин спектру поверхневих магнітостатичних хвиль. Вказано на визначальну для відновлення сигналу роль фазового механізму обмеження параметричного підсилення та наявності в системі двох конкуруючих груп хвиль.

6. Розв'язана задача нерезонансного обернення хвильового фронту паралельною параметричною накачкою, коли частота сигналу не співпадає з половинною частотою накачки.

Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що створені моделі дають змогу оптимізувати роботу існуючих та закладають основи для розробки нових пристроїв обробки надвисокочастотної інформації. Теоретично передбачено можливість, та встановлено необхідні параметри для обернення хвильового фронту в невзаємному середовищі, що має важливе значення з точки зору доцільності практичного використання саме поверхневих МСХ, для яких реалізація однорідного поля підмагнічування, збудження та прийом сигналу є задачами технічно більш простими в порівнянні з іншими типами МСХ. Створені теоретичні моделі методів відновлення сигналу спінових хвиль та коливань, які є носіями надвисокочастотної інформації, дозволили пояснити та кількісно описати наявні експериментальні результати. Розроблено методи експериментального визначення параметрів релаксації спінових хвиль та визначення внесків в загальну ширину двомагнонних та власних процесів релаксації; запропоновано спрощені методи визначення ефективних параметрів феритових плівок та наближений метод визначення верхньої граничної частоти зворотних об'ємних МСХ. Практичне значення виконаних досліджень не обмежується областю спінхвильової електродинаміки, встановлені закономірності та ефекти можуть знайти застосування в інших областях фізики, зокрема в оптиці.

Особистий внесок здобувача полягає у побудові теоретичної моделі відновлення сигналу за рахунок обернення хвильового фронту дипольно-обмінних спінових хвиль, що утворились в результаті пружного двомагнонного розсіювання, знаходженні коефіцієнтів обернення двомагнонної релаксації [1] та коефіцієнту подвійного обернення хвильового фронту ДОСХ [2]. Було виконано планування експерименту та вибір робочих точок для обернення хвильового фронту ДОСХ [3]. Розв'язана задача відновлення сигналу методами одночасного створення фазово-спряженого імпульсу та частотно-селективного підсилення [4]. Створена теоретична модель відновлення надвисокочастотного сигналу з дипольно-обмінних щілин спектру поверхневих магнітостатичних хвиль [5]. Дисертантом було розроблено ряд моделей чисельного розрахунку відновлення надвисокочастотних сигналів та написано відповідні програми [6, 7]. Написано програмне забезпечення для обробки експериментальних даних і аналізу генерації та поширення двохвимірних нелінійних пакетів в плівках ЗІГ [8]. Передбачено і виконано аналіз обернення хвильового фронту в невзаємному середовищі, проведено планування експерименту та вибір робочої точки [9], створено відповідну теоретичну модель [10]. Дисертантом було проведено порівняння розрахунків з результатами експериментальних досліджень [1, 2, 4-8, 10].

Апробація матеріалів дисертації. Матеріали дисертації доповідались на 12 конференціях, симпозіумах та семінарах:

1. 9th Joint MMM/Intermag Conference (Anaheim, USA, 2004).

2. 4-а Міжнародна конференція Молодих Вчених з Прикладної Фізики (Київ, Україна, 2004).

3. XIX International school-seminar “New Magnetic Materials of Microelectronics”(Moscow, Russia, 2004).

4. 9^th International Conference on Ferrites (San Francisco, USA, 2004)

5. 14-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, Украина, 2004).

6. 49th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (Jacksonville, USA, 2004).

7. Международная молодежная научно-техническая конференция студентов, аспирантов и ученых “Современные проблемы радиотехники РТ-2005” (Севастополь, Украина, 2005).

8. Moscow International Symposium on Magnetism (Moscow, Russia, 2005).

9. 15-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, Украина, 2005).

10. 50th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (San Jose, USA, 2005).

11. 16-я Международная Крымская конференция “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии” (Севастополь, Украина, 2006).

12. 7-а Міжнародна конференція Молодих Вчених з Прикладної Фізики (Київ, Україна, 2007).

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 22 робіт у вітчизняних та закордонних виданнях: 10 статей і 12 матеріалів та тез конференцій. Серед них статті в журналах Physical Review Letters, Журнал экспериментальной и теоретической физики, Journal of Applied Physics.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, п'яти розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 98 посилань. Робота ілюстрована 30 рисунками і має загальний обсяг 142 сторінки.

Основний зміст роботи

У вступі обґрунтовано актуальність теми, вказано на зв'язок роботи з науковими програмами, темами, сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну, практичну цінність роботи, відображено апробацію результатів роботи та вказано кількість публікацій за темою дисертації.

В першому розділі “Огляд літератури” наведено огляд літературних джерел щодо магнітостатичних, спінових та дипольно-обмінних спінових хвиль, їх характеристик та застосування. Особливу увагу звернуто на процеси двомагнонного розсіювання хвиль та параметричної взаємодії спінових хвиль з паралельною електромагнітною накачкою, а також на вплив кристалографічної анізотропії на параметричну нестійкість. Розглянуто відновлення НВЧ сигналів методом луни магнітостатичних мод та способом селективного параметричного підсилення.

Другий розділ “Відновлення сигналу спінових хвиль та коливань під дією параметричної накачки” присвячений опису та порівнянню методів відновлення сигналу спінових хвиль (обернення фазової релаксації) під дією паралельної параметричної накачки подвоєної частоти. На сьогодні відомо два таких методи. Перший полягає в створенні спін-хвильового пакету, складові якого зберігають частоти та набувають початкових фаз, спряжених до фаз первинних хвиль. Такий метод носить назву обернення хвильового фронту або луни магнітостатичних мод, і досліджувався як теоретично так і експериментально. Другий метод має суттєво відмінну природу і полягає в частотній селективності підсилення пакету хвиль параметричною накачкою. В результаті параметричної взаємодії деякі хвилі підсилюються краще за інші і, як наслідок, результуючий сумарний сигнал виявляється відмінним від нуля навіть при наявності хвиль з випадково розподіленими фазами. Основні принципи цього методу також відомі. Однак, за рахунок того, що обидва зазначені підходи можуть бути реалізовані одночасно з використанням одного і того ж імпульсу накачки, постала задача описати метод відновлення сигналу, при якому останній складається відразу з двох імпульсів. В розділі викладено детальний теоретичний аналіз такого складеного методу.

Отримано вирази для амплітуд прямих і обернених хвиль, відповідних потужностей сигналів перевипромінення та луни. Максимум сигналу луни припадає на момент часу, а сигналу перевипромінення на - затримка перед подачею накачки, - тривалість накачки, що узгоджується з відомими результатами. Знайдено вираз для відношення потужностей відновлених імпульсів, де - тривалість вхідного імпульсу, - частота релаксації хвиль, - коефіцієнт параметричного зв'язку, - магнітне поле накачки, - коефіцієнт, що враховує всі фази коефіцієнта параметричного зв'язку, і для ідеального нескінченного середовища рівний нулю. Вираз для коефіцієнту вказує на те, що для відновлення сигналу методом луни необхідна наявність деякої неоднорідності, в ролі якої може виступати кристалографічна анізотропія, анізотропія форми, неоднорідність поля підмагнічування, тощо.

На рис. 1. показана залежність відношення амплітуд імпульсів, відновлених зазначеними методами, від тривалості накачки при двох величинах її затримки відносно вхідного сигналу. Видно, що для відновлення сигналу методом луни краще використовувати коротку накачку, для селективного підсилення - тривалу з малими часами затримки. Розроблена в другому розділі модель виступає в ролі першого кроку та є необхідною частиною загальної теорії процесу обернення двомагнонної релаксації, побудованої в наступних розділах.

У третьому розділі „Обернення двомагнонної релаксації за допомогою параметричної накачки в об'ємних зразках” описаний процес відновлення сигналу, розсіяного на стаціонарних неоднорідностях середовища. Розглядається феритовий зразок сферичної форми, в якому за допомогою зовнішнього НВЧ випромінювання збуджується однорідна прецесія (ОП) намагніченості. В результаті двомагнонного розсіювання, однорідна прецесія намагніченості, або магнон з хвильовим числом , збуджує спінову хвилю, або магнон з хвильовим числом , що обумовлене розміром неоднорідності . Найбільш інтенсивно збуджуються хвилі з . Для монокристалів ЗІГ типовим розміром неоднорідностей є мкм, що означає, що при розсіюванні утворюються дипольно-обмінні спінові хвилі (ДОСХ) з см^-1. ДОСХ характеризуються малими параметрами релаксації та практично нульовими груповими швидкостями, що робить вигідним їх використання в приладах для обробки інформації. Однак, за рахунок того, що ДОСХ розподілені в широкому спектрі хвильових чисел та лежать в діапазоні частот, що визначається тривалістю вхідного сигналу, для них має місце швидкий процес фазової релаксації, в результаті якого сумарний сигнал зникає. Для відновлення сигналу та для зворотної передачі енергії від ДОСХ до ОП використовується явище обернення хвильового фронту (ОХФ) під дією паралельної параметричної накачки. В такому випадку, набір створених холостих ДОСХ розповсюджується по траєкторії первинних хвиль, але в протилежному напрямку. Всі ДОСХ повертаються до неоднорідностей, на яких вони були утворені, приблизно в один і той же момент часу, в результаті чого всі разом частково відновлюють сигнал ОП.

В другій частині розділу знайдено коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації . Коефіцієнт являє собою відношення максимальної амплітуди ОП , відновленої в результаті процесу обернення ДОСХ, до первісної амплітуди , збудженої вхідним електромагнітним сигналом. Були розглянуті всі етапи обернення релаксації, описані вище, отримано аналітичний вираз для коефіцієнта обернення двомагнонної релаксації:

де - кут між і віссю [001] кристала в площині (), - поле кристалографічної анізотропії, - внесок в частоту релаксації прецесії за рахунок двомагнонного розсіювання, - повна частота релаксації ОП. З аналізу видно, що він дорівнює нулю при відсутності двомагнонного розсіювання та кристалографічної анізотропії. Додатково існує залежність від положення сфери в магнітному полі: максимальний при , тобто при орієнтації зовнішнього постійного магнітного поля уздовж проміжної вісі кристала [110]. Коефіцієнт при (важка вісь [001]) і (легка вісь [111]). На рис. 2 приведені теоретична (суцільна лінія) та експериментальна (квадрати) залежності коефіцієнту обернення від кута . Експеримент виконано на сфері діаметром мм; потужність накачки Вт; тривалість накачки нс; час затримки перед подачею накачки нс.

На рис. 3 показані теоретична (суцільна лінія) та експериментальна (квадрати) залежності коефіцієнта обернення двомагнонної релаксації від часу подачі імпульсу накачки . Видно, що зі збільшенням часу амплітуда відновленого сигналу ОП зменшується. Порівняння нахилів експериментальної та теоретичної залежностей дає можливість виміряти параметр релаксації ДОСХ, що збуджуються при розсіюванні ОП: Е. Виходячи з отриманого виразу для , можна сказати, що при збільшенні ефективності розсіювання (що визначається величиною ) амплітуда відновленого сигналу зростає. Цей факт був перевірений експериментально за рахунок внесення на поверхню сфери додаткових неоднорідностей методом шліфування сфери абразивною пастою.

Порівняння теорії з експериментом дає змогу окремо визначити внески в ширину лінії феромагнітного резонансу від процесів власної магнон-фононної релаксації, внутрішнього двомагнонного розсіювання та двомагнонного розсіювання на поверхні зразка.

У четвертому розділі „Методи відновлення сигналу в феромагнітних плівках під дією параметричної накачки” приводяться теоретичні моделі декількох оригінальних методів відновлення сигналу, які базуються на ефектах, що описані в попередніх розділах. Запропоновані методи можливі в тонких феритових плівках.

Перший підрозділ присвячений подвійному оберненню хвильового фронту (ОХФ) зворотних магнітостатичних хвиль, яке реалізується за допомогою додаткового імпульсу накачки. Використання другого імпульсу накачки дає змогу позбавитися ряду недоліків, характерних одинарному ОХФ, зокрема інвертованості відновленого сигналу в часі та його залежності від фази накачки.

В момент часу за допомогою вхідної антени збуджується пакет МСХ з хвильовими числами см^-1 і великими груповими швидкостями см/с. МСХ розповсюджуються від вхідної антени до вихідної, на якій в момент часу вони наводять затриманий вихідний імпульс (l - відстань між антенами). Однак, при цьому частина МСХ пружно розсіюється на неоднорідностях, створюючи набір повільних ДОСХ з хвильовими числами см^-1. В момент часу в проміжок між антенами подається перший імпульс накачки, який генерує пакет холостих ДОСХ, що розповсюджуються назад до неоднорідностей. Частина таких ДОСХ розсіюється на неоднорідностях зі збереженням частоти, створюючи при цьому набір довгохвильових швидких МСХ. Потрапляючи на вхідну антену в момент часу ці МСХ генерують там сигнал луни магнітостатичних мод. Такий процес є звичайним ОХФ.

Інша частина ДОСХ, які не розсіялися на зворотному шляху, продовжує розповсюджуватися. Подача в момент часу додаткового імпульсу накачки знову ж таки підсилює існуючі хвилі та створює набір холостих. Двічі обернені ДОСХ доходять до області неоднорідностей і, в свою чергу, частково розсіюються в швидкі МСХ. МСХ збуджують на вихідній антені електромагнітний НВЧ імпульс в момент часу . Саме цей імпульс є подвійно оберненим сигналом, який має ряд переваг для використання в приладах обробки інформації.

Беручи до уваги всі описані етапи подвійного ОХФ було знайдено вираз для амплітуди відновленого сигналу :

Як видно з рисунків, теоретичне передбачення було підтверджено експериментально. Така система може бути використана як активна лінія затримки НВЧ сигналу, при цьому потужність і час затримки вихідного сигналу можна контролювати такими параметрами як моментом ввімкнення накачок, їх тривалостями та потужностями. Як один з напрямків подальшого розвитку багатоімпульсного ОХФ може бути створення принципово нової системи динамічного збереження інформації.

В другому підрозділі “Обернення хвильового фронту в невзаємному середовищі” було теоретично досліджено обернення хвильового фронту невзаємних хвиль під дією параметричної накачки на прикладі поверхневих МСХ. Відомо, що для ПМСХ розподіли намагніченості по товщині плівки хвиль, які біжать в прямому та зворотному напрямках відрізняються, що значно ускладнює процес параметричної взаємодії цих хвиль. Актуальність дослідження ОХФ саме ПМСХ, обумовлена тим, що для них реалізація однорідного поля підмагнічування, збудження та прийом сигналу є задачами технічно більш простими в порівнянні з іншими типами МСХ. В результаті проведених досліджень було показано, що при збільшенні хвильового числа, тобто при зменшенні постійного поля підмагнічування, ефективність ОХФ взаємодіючих ПМСХ зменшується.

Останній підрозділ четвертого розділу присвячений відновленню сигналу з дипольно-обмінних щілин спектру поверхневих МСХ, що виникають за рахунок наявності обмінних товщинних мод в плівці. Сигнал, що збуджує пакет ПМСХ може частково передати свою енергію до стоячих мод, де вона буде локалізована в просторі. Використовуючи паралельну накачку цей сигнал можна відновити як імпульс перевипромінення. Було створено аналітичну модель, що пояснює і дає якісне узгодження з експериментальними даними. Модель базується на врахуванні наявності двох груп спінових хвиль, що конкурують між собою: так званої, домінуючої групи, з малим параметром релаксації , та початковою амплітудою, що визначається рівнем термічних коливань , та сигнальної хвилі з релаксацією і початковою амплітудою , що визначається потужністю вхідного сигналу. Під час дії накачки, амплітуди обох груп хвиль ростуть за експоненційним законом, але домінуюча група зростає швидше за рахунок меншого параметра релаксації. В результаті, через відповідний час, домінуюча група хвиль першою досягне деякого критичного значення, при якому вступить в силу фазовий механізм обмеження параметричного підсилення і підсилення обох груп хвиль зупиниться. Відомо, що в стаціонарному режимі (в насиченні) в системі може існувати лише одна група хвиль, а саме домінуючі хвилі з найменшими релаксаціями. Тому після моменту насичення, амплітуда домінуючої групи залишається постійною, а амплітуда сигнальної зменшується до термічного рівня, що проявляється в появі відновленого імпульсу спінових хвиль. Було знайдено час появи та максимальну амплітуду відновленого сигналу, де - коефіцієнт параметричного зв'язку, - магнітне поле накачки, - максимальна амплітуда спінових хвиль, при досягненні якої параметричне підсилення припиняється. Показано, що при збільшенні потужності накачки відновлений сигнал з'являється раніше і з більшими амплітудами, тривалість відновленого імпульсу при цьому зменшується.

У п'ятому розділі „Чисельний розрахунок динаміки спінових хвиль в феритових плівках” приводиться метод чисельного розрахунку методів відновлення сигналу спінових хвиль та коливань. Розглядається феромагнітна тонка плівка, поміщена в діелектричний резонатор, яка знаходиться в контакті з двома мікрохвильовими антенами (вхідною та вихідною). Пакет магнітостатичних хвиль генерується подачею на вхідну антену НВЧ імпульсу, що розповсюджується до вихідної антени і збуджує на ній відновлений сигнал з затримкою, яка визначається швидкістю хвиль та відстанню між антенами. Під час розповсюдження пакету спінових хвиль може бути поданий сигнал накачки, який, по-перше підсилює хвилі, та по-друге, збуджує набір холостих хвиль які розповсюджуються в протилежному напрямку. Холості хвилі наводять відновлений сигнал на вхідній антені, такий пристрій називається активною лінією затримки. Метод чисельного розрахунку, використаний для розрахунку ліній затримок, полягає в знаходженні потужності макроскопічного сигналу в вигляді суми плоских хвиль:

Вираз для амплітуд було взято з першої частини другого розділу, коли проводився аналітичний розрахунок. Однак, методи чисельного моделювання дають змогу позбавитися наближень використаних при аналітичному розрахунку. Зокрема можна використовувати реальні дисперсійні залежності, спектри вхідних сигналів, відмовитися від наближення потужної накачки, тощо. Результуюча формула для обрахунку потужності прямого та зворотного сигналів, має вигляд:

Використовуючи чисельні методи було досліджено профілі пасивної (коли не використовується параметрична накачка) та активної ліній затримки. Було показано, що при використанні пасивної лінії затримки інформація про часовий профіль сигналу зберігається, але викривлюється. Використання параметричної накачки надає відновленому імпульсу правильної гаусоподібної форми, але більшість інформації про профіль вхідного сигналу втрачається. За рахунок порівняння теорії з експериментом було запропоновано метод експериментального визначення верхньої граничної частоти спектру зворотних об'ємних магнітостатичних хвиль та таких параметрів феритової плівки як її товщина та намагніченість насичення.

Методами чисельного моделювання було вивчене нерезонансне обернення хвильового фронту, коли частота сигнальної хвилі відрізняється від половинної частоти накачки. На рис.7 показана залежність потужності відновленого сигналу від частоти вхідного сигналу: точками показаний експеримент, суцільною лінією - теоретичний розрахунок.

З рис. 7 видно, що в нерезонансному випадку відбувається параметрична взаємодія накачки з неосновними гармоніками сигналу. Тобто, при зміні несучої частоти сигналу або частоти накачки, параметричний процес виступає в ролі детектора спектру вхідного сигналу. Такий метод відновлення сигналу може бути використаний для створення аналізатора спектру на базі плівок ЗІГ.

Висновки

В даній роботі виконане теоретичне дослідження різних методів відновлення макроскопічного сигналу пружно розсіяних спінових хвиль та коливань, основаних на використанні паралельної параметричної накачки. Отримано наступні наукові результати:

1. Побудовано теоретичну модель, яка описує відновлення сигналу спінових хвиль та коливань одночасно двома принципово різними методами: за рахунок створення накачкою фазово-спряженого імпульсу (луни магнітостатичних мод) та за рахунок частотно-селективного підсилення (сигнал перевипромінення). На підставі аналізу моделі запропоновано метод відновлення сигналу за допомогою одного імпульсу накачки, коли відновлений сигнал складається з двох імпульсів, розділених у часі. Показано, що для відновлення сигналу методом луни магнітостатичних мод краще використовувати коротку і потужну накачку, а для генерації сигналу перевипромінення - довгу і слабку з короткою затримкою після надходження вхідного сигналу. Амплітуди обох відновлених сигналів зростають при збільшенні тривалості та амплітуди параметричної накачки, та зменшуються при збільшенні часу затримки та параметра релаксації хвиль.

2. Побудовано модель відновлення макроскопічного сигналу за участі повільних дипольно-обмінних спінових хвиль, збуджених в результаті двомагнонного розсіювання однорідної прецесії анізотропної феритової сфери на неоднорідностях зразка. Знайдено коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації. Показано, що амплітуда відновленого сигналу зростає при збільшенні ефективності двомагнонного розсіювання, тобто при розширенні лінії ФМР. Підвищення потужності та тривалості накачки призводить до збільшення амплітуди відновленої однорідної прецесії; коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації може бути більшим одиниці. Вказано на принципову роль наявності кристалографічної анізотропії для відновлення сигналу - за відсутності анізотропії коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації рівний нулеві. Порівняння теорії з експериментом дає можливість визначати такі приховані параметри системи як внески в загальну ширину лінії власних релаксаційних процесів і двомагнонної релаксації на поверхні та в об'ємі зразка.

3. На прикладі ЗОМСХ в феромагнітних плівках було створено теоретичну модель подвійного обернення хвильового фронту за рахунок використання додаткового імпульсу параметричної накачки. Знайдено характерний час появи відновленого сигналу та коефіцієнт подвійного ОХФ ДОСХ. Встановлено, що момент появи сигналу пропорційний затримці другого імпульсу накачки та обернено пропорційний затримці першого. Амплітуда відновленого сигналу зростає зі збільшенням тривалостей і потужностей імпульсів накачки, а також зі зростанням ефективності двомагнонного розсіювання.

4. Створено теоретичну модель обернення хвильового фронту в невзаємному середовищі на прикладі ПМСХ. Показано, що коефіцієнт ОХФ в такому випадку залежить від хвильового числа взаємодіючих хвиль: при збільшенні амплітуда відновленого сигналу зменшується. Досліджено залежність коефіцієнту відновлення від параметрів накачки: коефіцієнт зростає при збільшенні тривалості та потужності накачки і може перевищувати одиницю.

5. Проаналізовано явище відновлення сигналу з дипольно-обмінних щілин спектру поверхневих магнітостатичних хвиль, що виникають за рахунок стоячих по товщині мод ЗОМСХ, та розроблено відповідну аналітичну модель. Вказано на принципову роль нелінійного обмеження параметричного підсилення та на наявність в системі двох конкуруючих мод спінових хвиль. Показано, що при підвищенні потужності накачки відновлений сигнал перевипромінювання з'являється раніше і має меншу тривалість. Амплітуда сигналу зростає при збільшенні потужності накачки.

6. Методами чисельного розрахунку досліджено особливості роботи пасивних та активних ліній затримки, що базуються на феромагнітних плівках. Зокрема, досліджено часовий профіль відновленого сигналу: для пасивної ЛЗ профіль вхідного сигналу в основних рисах зберігається, однак викривлюється; для активної ЛЗ форма сигналу не залежить від форми вхідного і має правильну гаусоподібну форму. Запропоновані нові методи експериментального визначення верхньої граничної частоти ЗОМСХ та таких параметрів феритової плівки як її товщина та намагніченість насичення.

7. Проаналізовано нерезонансне обернення хвильового фронту, коли частота сигналу відрізняється від половинної частоти накачки. Запропоновано можливість експериментального аналізу спектру вхідного сигналу, що базується на нерезонансному ОХФ.

Список публікацій за темою дисертації

1. Мелков Г. А. Обращение двухмагнонной релаксации в ферритовых сферах / Г. А. Мелков, А. Д. Дзяпко, А. В. Чумак, А. Н. Славин // Журнал экспериментальной и теоретической физики. - 2004. - Т.126, Вып.6. - С. 1367-1376.

2. Melkov G. A. Double-wave-front reversal of dipole-exchange spin waves in yttrium-iron garnet films / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, A. N. Slavin // Journal of Applied Physics. - 2005. - V. 98. - P. 074908-1 - 074908-8.

3. Melkov G. A. Microwave signal processing in ferrite films using dipole-exchange spin waves scattered on inhomogeneities / G. A. Melkov, Yu. V. Kobljanskyj, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, A. N. Slavin // IEEE Transactions on Magnetics.- 2004.- V. 40, № 4.- P. 2814-2816.

4. Kobljanskyj Yu. V. Methods of relaxation reversal for spin waves and oscillations / Yu. V. Kobljanskyj, V. S. Tiberkevich, A. V. Chumak, V. I. Vasyuchka, G. A. Melkov, A. N. Slavin // Journal of Magnetism and Magnetic Materials.- 2004.- V. 272-276.- P. 991-992.

5. Serga A. A. Parametrically stimulated recovery of a microwave signal stored in standing spin-wave modes of a magnetic film / A. A. Serga, A. V. Chumak, A. Andreґ, G. A. Melkov, A. N. Slavin, S. O. Demokritov, B. Hillebrands // Physical Review Letters.- 2007.- V. 99.- P. 227202-1-227202-4.

6. Васючка В. Вплив ефективних параметрів плівок залізо-ітрієвого гранату на характеристики пасивної лінії затримки/ В. Васючка, В. Лазовський, В. Мойсеєнко, А. Чумак // Вісник Київського університету. Серія: Радіофізика та електроніка.- 2006.- Т. 9.- С. 15-18.

7. Чумак А. В. Дослідження профілів вихідних імпульсів пасивної і активної ліній затримки сигналів на зворотніх об'ємних магнітостатичних хвилях / А. В. Чумак, Ю. В. Коблянський, В. І. Васючка // Вісник Київського університету. Серія фізико-математичні науки.- 2004.- № 1.- С. 353-360.

8. Serga A. A. Parametric generation of forward and phase-conjugated spin-wave bullets in magnetic films / A. A. Serga, B. Hillebrands, S. O. Demokritov, A. N. Slavin, P. Wierzbicki, V. Vasyuchka, O. Dzyapko, and A. Chumak // Physical Review Letters. - 2005. - V. 94. - P. 167202-1 -167202-4.

9. Melkov G. A. Wave front reversal of surface magnetostatic waves / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, A. N. Slavin // Journal of Magnetism and Magnetic Materials.- 2006.-V. 300, Issue 1.- P. e41 - e44.

10. Melkov G. A. Wave front reversal of nonreciprocal surface dipolar spin waves/ G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, V. S. Tiberkevich, A. N. Slavin // Journal of Applied Physics.- 2006.- V. 99. - P. 08P513-1 - 08P513-3.

11. Moyseenko V. A. Signal spectrum investigations by nonresonant wave front reversal / V. A. Moyseenko, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, G. A. Melkov // Proceedings of the Seventh International Young Scientists' Conference on Applied Physics, June, 13-15, 2007.- Kyiv (Ukraine), 2007 .- P. 170.

12. Melkov G. A. Microwave signal processing using dipole-exchange spin waves in ferrite spheres / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. D. Dzyapko and A. V. Chumak // Proceedings of the 16th International Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo'2006), September 11-15, 2006. - Sevastopol, Crimea (Ukraine), 2006.- P.625-626.

13. Melkov G. A. Wave front reversal of non-reciprocal surface dipolar spin waves / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, V. S. Tiberkevich, A. N. Slavin // Abstracts of 50th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM'05), October, 30-November, 3, 2005.- San Jose (USA), 2005.- P. 313.

14. Melkov G. A. Microwave signal processing using phase conjugation of surface magnetostatic wave fronts / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, Yu. V. Koblyanskyy, A. V. Chumak // Proceedings of the 15th International Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology”, (CriMiCo'2005), September 12-16, 2005.- Sevastopol, Crimea (Ukraine), 2005.- P. 541-542.

15. Melkov G. A. Wave front reversal of surface magnetostatic waves / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, A. N. Slavin // Book of Abstracts of Moscow International Symposium on Magnetism, June 25-30, 2005. - Moscow (Russia), 2005.- P. 403-404.

16. Васючка В. И. Обработка сигналов в ферритовой пленке с плмлщью параметрической накачки / В. И. Васючка, А. Д. Дзяпко, А. В. Чумак, Г. А. Мелков // Молодежь и современные проблемы радиотехники «РТ-2005»: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, 24-29 апреля 2005 г. - Севастополь, 2005.- С. 24.

17. Melkov G. A. Double wave front reversal of dipole-exchange spin waves used for microwave signal processing / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, A. N. Slavin // Abstracts of 49th Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials (MMM'04), November 7-11, 2004. - Jacksonville (USA), 2004.- P. 423.

18. Melkov G. A. Microwave signal processing using dipole-exchange spin waves / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. D. Dzyapko, A. V. Chumak // Proceedings of the 14th International Crimean Conference “Microwave & Telecommunication Technology”, (CriMiCo'2004), September 13-17, 2004.- Sevastopol (Ukraine), 2004.- P.441-442.

19. Melkov G. A. Reversal of two-magnon relaxation in bulk ferrite samples / G. A. Melkov, A. D. Dzyapko, A. V. Chumak and A. N. Slavin // Abstract of International Conference on Ferrites (ICF 9), 2004. - San Francisco (California, USA), August 23-27, 2004.- P. 64.

20. Melkov G. A. Microwave signal processing using dipole-exchange spin waves scattered on inhomogeneities in ferrite films / G. A. Melkov, Y. V. Kobljanskyi, V. I. Vasyuchka, A. V. Chumak, A. N. Slavin // Abstracts of 9th Joint MMM/Intermag Conference, January 5-9, 2004. - Anaheim (USA), 2004.- P.160.

21. Melkov G. A. Restoration of macroscopic signal in anisotropic ferrite sphere / G. A. Melkov, A. V. Chumak, A. D. Dzyapko // Proceedings of the Fourth International Young Scientists' Conference on Applied Physics, June 21-23, 2004- Kyiv (Ukraine), 2004.- P.82.

22. Melkov G. A. Microwave signal processing using dipole-exchange spin waves / G. A. Melkov, V. I. Vasyuchka, A. D. Dzyapko, A. V. Chumak // Proceedings of the XIX International school-seminar “New Magnetic Materials of Microelectronics”, 28 июня - 2июля, 2004.- Moscow, 2004.- P.232-233.

Анотація

Чумак А.В. Параметричне відновлення сигналу пружно розсіяних спінових хвиль та коливань. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.03 - радіофізика. Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2008.

Дисертація присвячена теоретичному дослідженню явищ параметричного відновлення сигналу спінових хвиль та коливань після процесу двомагнонної релаксації. Розглядаються магнітні системи, в яких за рахунок зовнішнього електромагнітного випромінювання збуджується однорідна прецесія або набір довгохвильових магнітостатичних хвиль (МСХ), які розсіюються на структурних неоднорідностях середовища в набір повільних дипольно-обмінних спінових хвиль (ДОСХ). За рахунок розкиду значень хвильових чисел та частот ДОСХ в системі має місце процес фазової релаксації, що веде до затухання сумарного сигналу. Завдяки взаємодії розсіяних хвиль з повздовжньою параметричною накачкою відбувається обернення ДОСХ, їх зворотне розсіювання в однорідну прецесію (або МСХ) та відтворення електромагнітного сигналу.

Створено теоретичні моделі подвійного та нерезонансного обернення хвильового фронту, відновлення сигналу невзаємних МСХ, відновлення сигналу з щілин спектру поверхневих магнітостатичних хвиль. Знайдено коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації в анізотропному середовищі з неоднорідностями.

Ключові слова: двомагнонне розсіювання, параметрична нестійкість, дипольно-обмінні спінові хвилі, магнітостатичні хвилі, обернення хвильового фронту.

Чумак А.В. Параметрическое восстановление сигнала упруго рассеянных спиновых волн и колебаний. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.03 - радиофизика. Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2008.

Диссертация посвящена теоретическому исследованию явлений параметрического восстановления сигнала спиновых волн и колебаний после процесса двухмагнонной релаксации. Рассматривая магнитные системы, в которых под действием внешнего электромагнитного излучения возбуждается однородная прецессия или набор длинноволновых магнитостатических волн (МСВ), которые рассеиваются на структурных неоднородностях среды в набор медленных дипольно-обменных спиновых волн (ДОСВ). За счет разброса значений волновых чисел и частот ДОСВ в системе имеет место процесс фазовой релаксации, который ведет к затуханию суммарного сигнала. Благодаря взаимодействию рассеянных волн с продольной параметрической накачкой происходит обращение ДОСВ, их обратное рассеивание в однородную прецессию (или МСВ) и восстановление электромагнитного сигнала.

Создана теоретическая модель и найден коэффициент обращения двухмагнонной релаксации в анизотропной сфере с неоднородностями. Показано, что, при увеличении эффективности упругого рассеивания сигнала однородной прецессии намагниченности, амплитуда восстановленного сигнала возрастает. Эффект обращения релаксации обусловлен кристаллографической анизотропией образца и максимален при намагничивании сферы вдоль промежуточной оси [100].

Теоретически исследовано двойное обращения волнового фронта в ферритовых пленках. Возбужденные длинноволновые МСВ рассеиваются на неоднородностях и создают набор ДОСВ. Волновой фронт медленных ДОСВ обращается двоекратно под действием двух последовательных импульсов накачки. В результате, восстановленный обратным рассеиванием ДОСВ сигнал не несет информации о накачке и не является инвертированным во времени, что характерно одинарному обращению волнового фронта. На примере поверхностных МСВ теоретически исследовано восстановления сигнала невзаимных МСВ. Показано, что эффективность восстановления уменьшается при увеличении волнового числа взаимодействующих волн.

Исследовано восстановление сигнала с дипольно-обменных щелей спектра поверхностных магнитостатических волн. Информация о приложенном высокочастотном сигнале может быть частично передана через пакет поверхностных МСВ в стоячие толщинные моды ферритовой пленки. С использованием длительного и мощного импульса накачки полезный сигнал может быть восстановлен. Показано, что фазовый механизм ограничения параметрического усиления и наличие в системе двух конкурирующих мод ответственны за эффект восстановления сигнала. Методами численного моделирования было исследовано нерезонансное восстановление волнового фронта, когда частота входного сигнала не равная половинной частоте накачки.

Ключевые слова: двухмагнонное рассеивание, параметрическая неустойчивость, дипольно-обменные спиновые волны, магнитостатические волны, обращение волнового фронта.

Chumak A.V. Parametrical signal restoration of elastic-scattered spin waves and oscillations. - Manuscript.

Thesis for the scientific degree of “Candidate of the physical and mathematical science” by specialty 01.04.03 - radiophysics. Kyiv National Taras Shevchenko University, Kyiv, 2008.

This thesis is devoted to the theoretical research of parametrical restoration of spin wave and oscillation signals, which were elastically two-magnon scattered on inhomogeneities of the sample.

By applying electromagnetic radiation one excites a uniform precession of the magnetization or a packet of long-wavelength magnetostatic waves (MSW), which scatters on the sample inhomogeneities and generates a packet of slow dipole-exchange spin waves (DESW). A phase relaxation process takes place since the excited DESWs have different wave vectors and frequencies. This leads to the fast decay of the spin-wave macrosignal. Using parallel parametric pumping one can reverse the DESWs. These waves are then scattered again at the same inhomogeneities and thus partially restore the original MSW packet. These MSW can be detected as restored microwave signal.

Non-resonance and double wave front reversal processes in anisotropic media with inhomogeneities as well as non-reciprocal spin waves signal restoration and restoration of the signal stored in standing spin-wave modes of a magnetic film were investigated theoretically. The two-magnon restoration coefficient was found.

Keywords: two-magnon scattering, parametrical instability, dipole-exchange spin waves, magnetostatic waves, wave-front reversal.

Размещено на Allbest.ru