ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН English Войти Подать статью
Журнал радиоэлектроники Электронный научный журнал · eISSN 1684-1719
2023, № 11 · ЭЛЕКТРОДИНАМИКА

Вторичный магнитоупругий резонанс 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, Сыктывкар, Россия
2 ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН, Москва, Россия
Полный текст DOI: 10.30898/1684-1719.2023.11.25 УДК 537.874 EDN WVFFMD

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. В результате решения поставленной задачи получены амплитудно-частотные характеристики магнитных и упругих колебаний. Показано, что в условиях частоты ферромагнитного резонанса значительно выше частоты собственных упругих колебаний структуры на амплитудно-частотную характеристику колебаний намагниченности наложена сетка эквидистантно расположенных упругих резонансов структуры. Для интерпретации наблюдаемой сетки резонансов предложена модель фазового синхронизма между исходным возбуждением и упругой волной, испытавшей двукратный пробег по толщине структуры. Показано, что частота максимума огибающей колебаний упругости значительно превышает частоту максимума характеристики намагниченности. Существование собственной характеристики огибающей упругих колебаний названо вторичным резонансом упругой системы. Исследована зависимость частоты максимума вторичного резонанса от величины константы магнитоупругого взаимодействия. Показано, что по мере увеличения такой константы расстояние по частоте между максимумами обеих характеристик возрастает. В качестве гипотезы такого увеличения, предложена аналогия с расщеплением амплитудно-частотной характеристики системы из двух связанных резонаторов. Исследованы амплитудно-частотные характеристики магнитных и упругих колебаний в широком диапазоне частот. На эквидистантной сетке амплитудно-частотной характеристики упругих резонансов обнаружены узкие эквидистантно расположенные резонансные провалы, соответствующие уменьшению амплитуды колебаний более чем на два порядка. Показано, что частотный интервал между соседствующими провалами обратно пропорционален расстоянию от точки регистрации упругих колебаний до поверхности подложки, противоположной той, на которой расположена пленка. Для интерпретации формирования провалов предложена модель, учитывающая противофазность в точке регистрации между волной, выходящей из точки возбуждения, и волной, отраженной от противоположного конца структуры. Кратко отмечены некоторые физические аналогии рассматриваемых явлений.

  • магнитная пленка
  • немагнитная подложка
  • магнитоупругий резонанс
  • связанные колебания
Abstract (in English)

The second magnetoelastic resonance in structure: thin magnetic film thick elastic substrate

The task about excitation of connected magnetic and elastic vibrations in flat-parallel structure consisted of normal magnetized thin magnetic film applied on thick nonmagnetic substrate is considered. As a result of estimated task solution the amplitude-frequency characteristics of magnetic and elastic vibrations are found. It is shown that in conditions when the ferromagnetic resonance frequency is higher then own elastic vibration of the structure on the amplitude-frequency characteristics of magnetic vibrations applied the equidistance net of elastic resonances of structure. For the interpretation of observed resonance net it is proposed the model of phase synchronization between initial excitation and elastic wave which experience two passages along the thickness of structure. It is shown that the frequency of maximum elastic vibrations rounding exceeds frequency of maximum magnetization characteristic. The existence of own rounding elastic vibrations characteristic is named the second elastic system resonance. It is investigated the dependence of maximum second resonance characteristic from value of magnetoelastic interaction constant. It is shown that by increasing of this constant the frequency distance between both characteristic maxima increases. As a hypothesis of this increasing it is proposed the analogy with splitting of amplitude-frequency characteristic of system consisted of two connected resonators. It is investigated the amplitude-frequency characteristics magnetic and elastic vibrations in wide frequency region. On the equidistance elastic resonances net amplitude-frequency characteristic it is found the narrow equidistance disposed resonance depressions which are correspond to decreasing of amplitude more then two orders of value. It is shown that the frequency interval between neighbouring depressions is back proportional to distance between point of elastic vibrations registration and surface of substrate opposite to magnetic film. For the interpretation of depressions formation it is proposed the model which takes into account the phase opposition in registration point between wave which goes out of the excitation point and wave which is reflected from the opposite end of structure. Briefly noted some physical analogies of investigated phenomena.

Для цитирования

Власов В.С., Шапоров В.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Вторичный магнитоупругий резонанс в структуре: тонкая магнитная пленка - толстая упругая подложка // Журнал радиоэлектроники. – 2023. – № 11. https://doi.org/10.30898/1684-1719.2023.11.25

Литература

  1. Адам Дж.Д. Аналоговая обработка сигналов с помощью СВЧ-ферритов. // ТИИЭР. 1988. Т.76. №2. С.73-86.
  2. Исхак В.С. Применение магнитостатических волн: обзор. // ТИИЭР. 1988. Т.76. №2. С.86-104
  3. Вашковский А.В., Стальмахов В.С., Шараевский Ю.П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. - Саратов, Изд.Саратовского университета, 1993, 320 с.
  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. Serga A.A., Chumak A.V., Hillebrands B. YIG magnonics //j. Phys. D: Appl. Phys. 2010. V.43. P.264002(16).
  6. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические волны в неоднородных полях. М.: Физматлит. 2016.
  7. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Магнитостатические и электромагнитные волны в сложных структурах. М.: Физматлит. 2017.
  8. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Спиновые волны в средах с обменом и диссипацией. М.: Физматлит. 2021.
  9. 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.
  10. 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.
  11. Чернов А.И., Кожаев М.А., Ветошко П.М., Додонов Д.В., Прокопов А.Р., Шумилов А.Г., Шапошников А.Н., Бержанский В.Н., Звездин А.К., Белотелов В.И. Локальное зондирование магнитных пленок с помощью оптического возбуждения магнитостатических волн. // ФТТ. 2016. Т.58. №6, С.1093.
  12. 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.
  13. Beaurepaire E., Merle J.C., Daunois A., Bigot J.Y. Ultrafast spin dynamics in ferromagnetic nickel. // Phys. Rev. Lett. 1996. V.76. №22. P.4250.
  14. Walowski J., Münzenberg M. Perspective: Ultrafast magnetism and THz spintronics. //j. Appl. Phys. 2016. V.120. №14. P.140901(16).
  15. Dreher L., Weiler M., Pernpeintner M., Huebl H., Gross R., Brandt M.S., Goennenwein S.T.B. Surface acoustic wave driven ferromagnetic resonance in nickel thin films: theory and experiment. // Phys. Rev. B. 2012. V.86. №13. P.134415(13).
  16. Bigot J.V., Vomir M. Ultrafast magnetization dynamics of nanostructures. // Ann. Phys. (Berlin). 2013. V.525. №1-2. P.2-30.
  17. Thevenard L., Gourdon C., Prieur J.Y., Von Bardeleben H.J., Vincent S., Becerra L., Largeau L., Duquesne J.Y. Surface-acoustic-wave-driven ferromagnetic resonance in (Ga,Mn)(As,P) epilayers. // Phys. Rev. B. 2014. V.90. №9. P.094401(8).
  18. Jäger J.V., Scherbakov A.V., Glavin B.A., Salasyuk A.S., Campion R.P., Rushforth A.W., Yakovlev D.R., Akimov A.V., Bayer M. Resonant driving of magnetization precession in a ferromagnetic layer by coherent monochromatic phonons. // Phys. Rev. B. 2015. V.92. №2. P.020404(5).
  19. Sparks M., Tittmann B.R., Mee J.F. №.ewkirk C. Ferromagnetic resonance in epitaxial garnet thin films // JAP. 1969. V.40. №3. P.1518.
  20. 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.
  21. Телеснин Р.В., Козлов В.И., Дудоров В.Н. Ферромагнитный резонанс в эпитаксиальных пленках Y3Fe5-xGaxO12. // ФТТ. 1974. Т.16. №11. С.3532.
  22. 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.
  23. 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.
  24. 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.
  25. 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)
  26. 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.
  27. 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.
  28. 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.
  29. 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.
  30. Казаков Г.Т., Тихонов В.В., Зильберман П.Е. // ФТТ. 1983. Т.25. №8. С.2307-2312.
  31. Андреев А.С., Зильберман П.Е., Кравченко В.Б., Огрин Ю.Ф., Темирязев А.Г., илимонова Л.М. // ПЖТФ. 1984. Т.10. №2. С.90-94.
  32. 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.
  33. 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).
  34. 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.
  35. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. М.: Наука. 1972.
  36. 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
  37. 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.
  38. 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.
  39. 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.
  40. 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.
  41. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука. 1973.
  42. Мигулин В.В., Медведев В.И., Мустель Е.Р., Парыгин В.Н. Основы теории колебаний. М.: Наука. 1978.
  43. Харкевич А.А. Основы радиотехники. М: Физматлит. 2007.
  44. Гоноровский И.С. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Советское радио. 1964.