ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ. eISSN 1684-1719. 2023. №11
Оглавление выпускаТекст статьи (pdf)
DOI: https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.12
УДК: УДК 537.874; 537.624
УПРУГИЕ РЕЗОНАНСЫ В СТРУКТУРЕ: ТОНКАЯ МАГНИТНАЯ ПЛЕНКА – ТОЛСТАЯ УПРУГАЯ ПОДЛОЖКА
В.С.Власов1, В.Н.Шапоров1, В.Г.Шавров2, В.И.Щеглов2
1 Сыктывкарский государственный университет им. П. Сорокина
Российская Федерация, 167001 Сыктывкар, Октябрьский просп., 55
2 Институт радиотехники и электроники РАН им. В.А.Котельникова
Российская Федерация, 125009 Москва, ул. Моховая, 11, корп. 7
Статья поступила в редакцию 19 сентября 2023 г.
Аннотация. Рассмотрена задача о возбуждении связанных магнитных и упругих колебаний в плоскопараллельной структуре, состоящей из нормально намагниченной тонкой магнитной пленки, наложенной на толстую немагнитную упругую подложку. Для решения задачи предложена модель распространения периодического граничного режима, позволившая построить амплитудно-частотные характеристики магнитных и упругих колебаний. При этом характеристика колебаний намагниченности имела вид широкого колоколообразного максимума, на который наложена эквидистантная сетка узких упругих резонансов, отстоящих друг от друга на частоту, равную частоте упругого резонанса по толщине подложки. Выполнено модельное представление наложения упругих резонансов на магнитный с использованием системы двух связанных осцилляторов, частоты которых различаются на несколько порядков. Предложен механизм наложения упругих резонансов на характеристику намагниченности, состоящий в совпадении фазы волны после двукратного прохождении по толщине подложки с фазой начального возбуждения. Рассмотрено влияние затухания упругой волны на структуру амплитудно-частотных характеристик намагниченности и упругого смещения. Выявлено критическое значение параметра упругого затухания, ниже которого упругие колебаний имеют резонансный характер, а выше становятся апериодическими. Установлено инверсное значение параметра затухания, определяющее переход от симметричного распределения упругих резонансов на характеристике намагниченности к антисимметричному. Показано, что инверсное значение параметра затухания значительно (на два-три порядка) меньше значения критического. Обнаружено явление вторичного упругого резонанса, состоящее в превышении частоты максимума огибающей сетки упругих резонансов над частотой максимума характеристики намагниченности. Выявлено связанное с затуханием расщепление вторичного резонанса, имеющее место в окрестности инверсного значения параметра затухания.
Ключевые слова: магнитная пленка, немагнитная подложка, магнитоупругий резонанс, связанные колебания.
Финансирование: Работа выполнена в рамках государственного задания Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН.
Автор для переписки: Щеглов Владимир Игнатьевич, vshcheg@cplire.ru
Литература
1. Штраусс В. Магнитоупругие свойства иттриевого феррита-граната. В кн.: У. Мэзон (ред.): Физическая акустика. Т.4Б. Применения физической акустики в квантовой физике и физике твердого тела. М.: Мир. 1970. С.241-316.
2. Адам Дж.Д. Аналоговая обработка сигналов с помощью СВЧ-ферритов. ТИИЭР. 1988. Т.76. №2. С.73-86.
3. Исхак В.С. Применение магнитостатических волн: обзор. ТИИЭР. 1988. Т.76. №2. С.86-104,
4. Adam J.D., Davis L.E., Dionne G.F., Schloemann E.F., Stitzer S.N. Ferrite devices and materials. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2002. V.50. №3. P.721-737.
5. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические волны в неоднородных полях. М.: Физматлит. 2016.
6. Курушин Е.П., Нефедов Е.И. Применение тонких монокристаллических пленок ферритов в устройствах СВЧ-микроэлектроники. Микроэлектроника. 1977. Т.6, №6. С.549-561.
7. Serga A.A., Chumak A.V., Hillebrands B. YIG magnonics J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V.43. P.264002(16).
8. Ле-Кроу Р., Комсток Р. Магнитоупругие взаимодействия в ферромагнитных диэлектриках. В кн.: У. Мэзон (ред.): Физическая акустика. Т.3Б. Динамика решетки. М.: Мир. 1968. С.156.
9. Калашникова А.М., Кимель А.В., Писарев Р.В. Сверхбыстрый оптомагнетизм. УФН. 2015. T.185. №10. С.1064-1076.
10. Janusonis J., Chang C.L., Jansma T., Gatilova A., Vlasov V.S., Lomonosov A.M., Temnov V.V., Tobey R.I. Ultrafast magnetoelastic probing of surface acoustic transients. Phys. Rev. B. 2016. V.94. №2. P.024415(7).
11. Власов В.С., Голов А.В., Котов Л.Н., Щеглов В.И., Ломоносов А.М., Темнов В.В. Современные проблемы сверхбыстрой магнитоакустики. АЖ (Акустический журнал). 2022. Т.68. №1. С.22-56.
12. Sparks M., Tittmann B.R., Mee J.F.. №.ewkirk C. Ferromagnetic resonance in epitaxial garnet thin films JAP. 1969. V.40. №3. P.1518.
13. Chen H., De Gasperis P., Marcelli R., Pardavi-Horvath M., McMichael R., Wigen P.E. Wide-band linewidth measurements in yttrium iron garnet films JAP. 1990. V.67. №9. P.5530.
14. Телеснин Р.В., Козлов В.И., Дудоров В.Н. Ферромагнитный резонанс в эпитаксиальных пленках Y3Fe5-xGaxO12. ФТТ. 1974. Т.16. №11. С.3532.
15. Аваева И.Г., Лисовский Ф.В., Осика В.А., Щеглов В.И. Исследование эпитаксиальных пленок смешанных ферритов-гранатов методом ферромагнитного резонанса ФТТ. 1975. Т.17. №10. С.3045.
16. Аваева И.Г., Лисовский Ф.В., Осика В.А., Щеглов В.И. Ферромагнитный резонанс в эпитаксиальных пленках смешанных ферритов-гранатов РЭ. 1976. Т.21. №9. С.1894.
17. Аваева И.Г., Лисовский Ф.В., Осика В.А., Щеглов В.И. Ферромагнитный резонанс в эпитаксиальных пленках смешанных ферритов-гранатов с кубической анизотропией. ФТТ. 1976. Т.18. №12. С.3694.
18. An K., Litvinenko A.N., Kohno R., Fuad A.A., Naletov V.V., Vila L., Ebels U., De Loubens G., Hurdequint H., Beaulieu N., Ben Youssef J., Vukadinovic N., Bauer G.E.W., Slavin A.N., Tiberkevich V.S., Klein O. Coherent long-rare transfer of angular momentum between magnon Kittel modes by phonons. Phys. Rev. B. 2020. V.101. №6. P.060407(6)
19. Кузмичев А.Н., Ветошко П.М., Князев Г.А., Белотелов В.И., Буньков Ю.М. Особенности взаимодействия магнонного Бозе-конденсата с акустическими модами в пленках железоиттриевого граната. ПЖЭТФ. 2020. Т.112. №11-12. С.749-753.
20. Полулях С.Н., Бержанский В.Н., Семук Е.Ю., Белотелов В.И., Ветошко П.М., Попов В.В., Шапошников А.Н., Чернов А.И. Модуляция магнитоупругой связи при ферромагнитном резонанса в пленках феррит-гранатов. // ЖТФ. 2021. Т.91. №7. С.1124- 1131.
21. Полулях С.Н., Бержанский В.Н., Семук Е.Ю., Белотелов В.И., Ветошко П.М., Попов В.В., Шапошников А.Н., Шумилов А.Г., Чернов А.И. Ферромагнитный резонанс и упругие колебания в эпитаксиальных пленках феррит-граната иттрия. ЖЭТФ. 2021. Т.159. №2. С.307-314.
22. Гуляев Ю.В., Зильберман П.Е., Казаков Г.Т., Сысоев В.Г., Тихонов В.В., Филимонов Ю.А., Нам Б.П., Хе А.С. Наблюдение быстрых магнитоупругих волн в тонких пластинах и эпитаксиальных пленках железоиттриевого граната. ПЖЭТФ. 1981. Т.39. №9. С.500-504.
23. Казаков Г.Т., Тихонов В.В., Зильберман П.Е. ФТТ. 1983. Т.25. №8. С.2307-2312.
24. Андреев А.С., Зильберман П.Е., Кравченко В.Б., Огрин Ю.Ф., Темирязев А.Г., Филимонова Л.М. ПЖТФ. 1984. Т.10. №2. С.90-94.
25. Хивинцев Ю.В., Сахаров В.К., Высоцкий С.Л., Филимонов Ю.А., Стогний А.И., Никитов С.А. Магнитоупругие волны в субмикронных пленках ЖИГ, полученных ионно-лучевым распылением на подложках гадолиний-галлиевого граната. ЖТФ. 2018. Т.88. №7. С.1060-1066.
26. Streib S., Keshtgar H., Bauer G.E.W. Damping of magnetization dynamics by phonon pumping. Phys.Rev.Lett. 2018. V.121. №2. P.027202(6).
27. Ветошко П.М., Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Влияние упругих резонансов подложки на ферромагнитный резонанс в пленках железоиттриевого граната. РЭ. 2023. Т.68. №2. С.157-164.
28, Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука. 1972.
29. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в ферритовой пластине при ферромагнитном резонансе. РЭ. 2009. Т.54. №7. С.863-874.
30. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2013. №2. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/feb13/10/text.pdf.
31. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Комбинационное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. Сборник трудов XXI Международной конференции «Электромагнитное поле и материалы». М.: НИУ МЭИ. 2013. С.164-176.
32. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре при ферромагнитном резонансе. РЭ. 2014. Т.59. №5. С.482-497
33. Ландау Л.Д., Лифшиц Е.М. Теория упругости (Теоретическая физика, т.VII). М.: Наука. 1965.
34. Гуревич А.Г. Магнитный резонанс в ферритах и антиферромагнетиках. М.: Наука. 1973.
35. Гуревич А.Г., Мелков Г.А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит. 1994.
36. Gilbert T.L. A phenomenological theory of damping in ferromagnetic materials. IEEE Trans. on Magn. 2004. V.40. №6. P.3443-3449.
37. Антонец И.В., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Волны в многослойных структурах. Часть 1. Методы расчета: прямой, усреднения, матрицы. М.: Физматлит. 2022.
38. Двайт Г.Б. Таблицы интегралов и другие математические формулы. М.: Наука. 1973.
39. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические и электромагнитные волны в сложных структурах. М.: Физматлит. 2017.
40. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1973.
41. Вейсс М. Сверхвысокочастотные и низкочастотные колебания, вызванные нестабильностью резонанса в ферритах. В кн.: Ферриты в нелинейных сверхвысокочастотных устройствах. Сборник статей по ред. А.Г.Гуревича. М.: ИЛ. 1961. С.281-285.
42. Власов В.С., Иванов А.П., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Анализ линейного возбуждения гиперзвуковых колебаний магнитострикционного преобразователя на основе модели связанных осцилляторов. Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2013. №11. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/nov13/3/text.pdf
43. Власов В.С., Иванов А.П., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Анализ нелинейного возбуждения гиперзвуковых колебаний магнитострикционного преобразователя на основе модели связанных осцилляторов в квадратичном приближении. Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2014. №1. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jan14/11/text.pdf
44. Власов В.С., Иванов А.П., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение модели связанных осцилляторов для анализа нелинейного возбуждения гиперзвука в ферритовой пластине при ферромагнитном резонансе. Часть 1. Основные уравнения. РЭ. 2015. Т.60. №1. С.79.
45. Власов В.С., Иванов А.П., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Применение модели связанных осцилляторов для анализа нелинейного возбуждения гиперзвука в ферритовой пластине при ферромагнитном резонансе. Часть 2. Некоторые нелинейные явления. РЭ. 2015. Т.60. №3. С.297.
46. Иванов А.П., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Анализ автомодуляционных колебаний в магнитоупругой среде на основе модели связанных магнитного и упругого осцилляторов. Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2015. №5. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/may15/4/text.pdf
47. Иванов А.П., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Анализ автомодуляционных явлений в системе связанных магнитного и упругого осцилляторов на основе модели потенциала. Электронный «Журнал радиоэлектроники». 2015. №6. Режим доступа: http://jre.cplire.ru/jre/jun15/9/text.pdf
48. Шавров В.Г., Щеглов В.И., Иванов А.П. Нелинейные колебания в задаче возбуждения гиперзвука. Сыктывкар: ООО «Коми республиканская типография». 2021. ISBN 978-5-7934-0951-3.
49. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. М.: Наука. 1978.
50. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. М.: Наука. 1964.
51. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М:.Физматлит. 2007.
52. Карлов Н.В., Кириченко Н.А. Колебания, волны, структуры. М.: Физматлит. 2003.
53. Моносов Я.А. Нелинейный ферромагнитный резонанс. М.: Наука. 1971.
54. Ikola R.J. New Excitation Mechanism for Magnetoacoustic Resonance in YIG. // Journ. Appl. Phys. 1965. V.36. №10. P.3260.
55. Моносов Я.А., Сурин В.В., Щеглов В.И. Возбуждение резонансных упругих колебаний при нелинейном ферромагнитном резонансе. // Письма в ЖЭТФ. 1968. Т.7. №9. С.315-317.
Для цитирования:
Власов В.С., Шапоров В.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Упругие резонансы в структуре: тонкая магнитная пленка – толстая упругая подложка. // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – №. 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.12