Параметричне відновлення сигналу пружно розсіяних спінових хвиль та коливань - Автореферат

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. 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. Це може бути використано для створення цілого ряду приладів обробки НВЧ інформації, таких як активні лінії затримки, підсилювачі, інвертори часового профілю сигналу, тощо. 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). 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).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. 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. Знайдено вираз для відношення потужностей відновлених імпульсів, де - тривалість вхідного імпульсу, - частота релаксації хвиль, - коефіцієнт параметричного звязку, - магнітне поле накачки, - коефіцієнт, що враховує всі фази коефіцієнта параметричного звязку, 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.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. Підвищення потужності та тривалості накачки призводить до збільшення амплітуди відновленої однорідної прецесії; коефіцієнт обернення двомагнонної релаксації може бути більшим одиниці.

Основний зміст роботи

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 обємі 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 зявляється 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.

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. Andre?, 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 обємних 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 nonreciprocal 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.