The influence of magnetoelastic connection on magnetization equilibrium position precession in structure: fine magnetic slide - thick elastic substrate

Abstract

The excitation of coupled magnetoelastic oscillations in a plane-parallel system consisting of a normally magnetized thin ferromagnetic film deposited on a thick nonmagnetic elastic substrate is investigated. The primary focus of this study is the precession of the magnetization equilibrium position. Two distinct temporal regimes of oscillatory dynamics are identified: the transient establishment phase and the steady-state regime. During the transient phase, as the applied static magnetic field is reduced, four distinct oscillatory modes are observed: regular oscillations, relaxing beats, precession of the magnetization equilibrium position, and irregular beats. In the steady-state regime, only the precession of the magnetization equilibrium position persists within the field range corresponding to a reduced demagnetization effect. The oscillatory behavior is characterized by two sinusoidal components, corresponding to the magnetization projections m_x and m_y , which exhibit equal amplitudes and a mutual phase shift of 90°. The dependence of the precession period of the equilibrium position on the applied static magnetic field is analyzed for different values of the magnetoelastic interaction constant. It is demonstrated that an increase in magnetoelastic coupling results in a reduction of the precession period, with this effect becoming more pronounced at higher field strengths. This behavior is attributed to the effective loading of the magnetic system by the elastic medium, which slows the magnetization dynamics and thereby increases the period. Furthermore, the dependence of the precession period on the amplitude of the alternating magnetic field is examined for various values of the magnetoelastic interaction constant. It is found that stronger magnetoelastic coupling systematically leads to a shorter precession period. This effect is hypothesized to arise from an overall increase in system stiffness due to the magnetoelastic interaction. The influence of magnetoelastic coupling on the amplitude of precessional oscillations of the equilibrium position is also analyzed for different values of the static field. It is shown that as the coupling strength increases, the oscillation amplitudes tend to stabilize around an intermediate value, corresponding to the average between the maximum and minimum amplitudes observed in the absence of coupling. Additionally, the behavior of the elastic component of the oscillations is investigated as a function of magnetoelastic coupling strength. The amplitude of elastic oscillations is found to exhibit a linear dependence on the magnetoelastic interaction parameter. Finally, potential directions for further research are outlined, including an in-depth analysis of nonlinear effects and the role of additional anisotropic contributions in the magnetoelastic dynamics of the system.

• magnetization precession
• magnetoelastic interaction
• development vibration in time

Аннотация (на русском)

Влияние магнитоупругой связи на прецессию положения равновесия намагниченности в структуре тонкая магнитная пленка - толстая упругая подложка

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 качестве основного предмета исследования выбрана прецессия положения равновесия намагниченности. Были выделены две области развития колебаний во времени - область установления и область стационарного режима. В области установления по мере уменьшения постоянного поля выявлены четыре режима: регулярные колебания, релаксирующие биения, прецессия равновесия намагниченности, нерегулярные биения. В области стационарного режима в области поля меньшего поля размагничивания всегда присутствует только прецессия положения равновесия намагниченности. Колебания представляют собой две крупные синусоиды, соответствующие компонентам намагниченности m_x и m_y , имеют одинаковую амплитуду и сдвинуты относительно друг друга на 90 градусов. Рассмотрена зависимость периода прецессии положения равновесия от постоянного поля при различных значениях константы магнитоупругого взаимодействия, Показано, что увеличение магнитоупругого взаимодействия приводит к уменьшению периода прецессии, тем более проявляющемуся, чем поле больше. Отмечено, что в качестве возможной причины такого поведения зависимостей может выступить нагружение магнитной системы упругой, что приводит к замедлению движения магнитной системы и дает увеличение периода. Рассмотрена зависимость периода прецессии положения равновесия от величины переменного поля при различных значениях константы магнитоупругого взаимодействия. Показано, что увеличение магнитоупругого взаимодействия приводит к уменьшению периода прецессии. В качестве возможной причины уменьшения периода предложено увеличение жесткости системы в целом. Рассмотрена зависимость амплитуды колебаний прецессии положения равновесия от магнитоупругой связи при различных значениях постоянного поля. Показано, что увеличение магнитоупругой связи вызывает стремление амплитуд к среднему значению между максимальным и минимальным в отсутствие связи. Рассмотрено поведение упругой составляющей колебаний при увеличении магнитоупругого взаимодействия. Показано, что зависимости амплитуды колебаний упругой составляющей от параметра магнитоупругой связи имеют линейный характер. Приведены некоторые замечания о возможном развитии работы.

For citation

References

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.E. Newkirk C. Ferromagnetic re sonance 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. et al. 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. Резонансное взаимодействие магнитодипольных и упругих волн в пластинах и пленках железо-иттриевого граната // 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. Влияние импульсного магнитного поля на фазовый синхронизм упругих и магнитостатических волн в структурах ЖИГ-ГГГ // 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., 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
30. 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
31. Шапоров В.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Особенности резонансно-связанных магнитоупругих мод в структуре ферромагнетик-диэлектрик. // РЭ. 2024. Т.69. №3. С.171-180.
32. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейная динамика установления намагниченности в ферритовой пластине с магнитоупругими свойствами в условиях ориентационного перехода. // РЭ. 2010. Т.55. №6. С.689-701.
33. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Вынужденная нелинейная прецессия вектора намагниченности в условиях ориентационного перехода. // РЭ. 2011. Т.56. №1. С.84-96.
34. Власов В.С., Котов Л.Н., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Мультирежимный характер нелинейной прецессии намагниченности второго порядка в условиях ориентационного перехода. // РЭ. 2011. Т.56. №9. С.1120-1131.
35. Шавров В.Г., Щеглов В.И. Ферромагнитный резонанс в условиях ориентационного перехода. М.: Физматлит. 2018.
36. 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.
37. Власов В.С., Кирушев М.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Прецессия намагниченности второго порядка в магнитоупругой среде. // Электронный "Журнал радиоэлектроники" 2015. №4. http://jre.cplire.ru/jre/apr15/16/text.pdf.
38. Власов В.С., Шавров В.Г., Щеглов В.И. Нелинейное возбуждение гиперзвука в двухслойной ферритовой структуре. // Журнал радиоэлектроники. 2013. №2. http://jre.cplire.ru/jre/feb13/10/text.pdf