• Исследование распределения спиновых волн в ферритовых структурах методом зондирования
  
  
  Руководители направления
  

  Герус Сергей Валерианович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  Локк Эдвин Гарривич гл. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  За последние годы динамичное развитие магноники происходит благодаря использованию новых методов и технологий для исследования как характеристик спиновых волн (СВ), так и новых физических эффектов, которые могут быть реализованы с помощью этих волн. Одним таких методов, разработанных в лаборатории, является метод зондирования характеристик СВ, реализованный на уникальной экспериментальной установке (см. рис. 1). В качестве приемного преобразователя используется СВЧ зонд апертурой ~ 0.5 мм.

  Рисунок 1 – Схема экспериментальной установки

  Как зонд, так и возбуждающий преобразователь, оснащенные датчиками положения, могут перемещаться вдоль поверхности ферритовой пленки и вращаться вокруг оси, нормальной плоскости пленки. Разработанная магнитная система обеспечивает высокооднородное магнитное поле вдоль поверхности пленки диаметром ~50 мм. Распределение СВ измеряется следующим образом: для ряда фиксированных координат y осуществляется непрерывное перемещение зонда по поверхности ферритовой пленки (или структуры) вдоль оси z с одновременной оцифровкой мгновенных значений координаты z и комплексной амплитуды СВЧ коэффициента передачи между преобразователями, а затем проводится обработка полученных данных на компьютере

• Исследование свойств и характеристик электромагнитных и спиновых волн в ферритовых средах и структурах
  
  
  Руководители направления
  

  Локк Эдвин Гарривич гл. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  Герус Сергей Валерианович вед. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  Как известно, дипольные СВ часто описывают в магнитостатическом приближении, считая, что величина волнового числа СВ k >> k₀ = ω/c и что в уравнениях Максвелла можно пренебречь членами, содержащими множители ω/c – то есть, использовать уравнения магнитостатики. Такой способ описания дипольных СВ из-за математической простоты уже более шестидесяти лет используются при расчетах характеристик СВ и разработке различных приборов спиновой электроники СВЧ. Из-за использования магнитостатического приближения дипольные СВ часто стали называть магнитостатическими волнами (МСВ). Исследование характеристик СВ в магнитостатическом приближении до сих пор позволяет открывать принципиально новые свойства СВ.
  В то же время использование магнитостатического приближения не дает возможности исследовать ряд важных свойств и характеристик СВ. В частности, невозможно исследовать вектора Пойнтинга, плотность и направление потока энергии СВ, характеристики СВ в области малых волновых чисел, векторные линии электрического поля СВ и др. Поэтому в последние годы значительное развитие получили исследования характеристик СВ без использования магнитостатического приближения.

• Акусто-магнитные явления в твердых телах и слоистых структурах, динамические магнонные кристаллы
  
  

  Руководитель направления Медведь Александр Владимирович гл. науч. сотр., д.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  В рамках данного направления разрабатываются методики применения динамических магнонных кристаллов (ДМК), создаваемых поверхностной акустической волной (ПАВ) в структуре с пленкой ЖИГ для измерения параметров различных типов СВ, их дисперсионных характеристик и затухания.

• Исследование свойств высокотемпературных сверхпроводников и возможности создания высокочувствительного двухступенчатого холловского магнитометра
  
  

  Руководитель направления Ростами Халил Ростамович вед. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  В рамках данного направления проводятся экспериментальные и теоретические исследования свойств высокотемпературных сверхпроводников (ВТСП), а также разработка различных устройств и приборов, использующих ВТСП. В частности, исследуется механизм проникновения (выхода), распределения и захвата магнитного потока поликристаллическими ВТСП с помощью осцилляционной дифференциальной методики локального приближения; проводится определение эффективных размеров монодоменов, кристаллитов, суб- и нанокристаллитов (расстояния между границами двойникования), плотности критических токов перечисленных структурных единиц и их термодинамических первых критических магнитных полей. Проводится разработка холловского микроскопа с высокой чувствительностью и повышенным пространственным разрешением.

• Исследование возможности расширения функциональных возможностей геостационарного детектора молний
  
  

  Руководитель направления Филатов Александр Леонидович ст. науч. сотр., к.ф.-м.н. эл. почта: [email protected]

  
  

  В рамках данного направления исследуются возможности улучшения характеристик различных радиофизических космических и навигационных приборов за счет применения в них акусто-оптических узлов и устройств.

• Экспериментально исследованы визуализированные дифракционные картины поверхностной спиновой волны, возбуждаемой произвольно ориентированным линейным преобразователем, в плоскости касательно намагниченной ферритовой пленки для случая, когда длина преобразователя D значительно больше длины волны λ₀. Экспериментально и теоретически показано, что угловая ширина дифракционного луча поверхностной спиновой волны в анизотропной ферритовой пленке может принимать значения больше или меньше λ₀/D, а также может быть равна нулю. В последнем случае экспериментально наблюдается сверхнаправленный (нерасширяющийся) луч поверхностной спиновой волны: расплывание энергии пучка в плоскости пленки отсутствует, а длина траектории пучка максимальна (~50 мм). Установлено, что хорошо известный критерий Рэлея, используемый в изотропных средах, не может быть использован для оценки угловой ширины пучков спиновых волн. Экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими исследованиями, предсказаниями, расчетами и формулами, полученными в последнее время.

  Рисунок – Экспериментальное распределение амплитуды сверхнаправленного волнового пучка поверхностной СВ в плоскости ферритовой пленки для следующих параметров пучка: f0 = 2999 MHz, k0 = 56.5 cm−1, λ0 = 1110 μm, λ0/D = 0.222, φ0 = −45°; абсолютная угловая ширина пучка по уровню 0.5 составила Δψ = 0.4°.

  Публикации:
  
  • Annenkov A.Yu., Gerus S.V., Lock E.H. «Superdirectional beam of surface spin wave». EPL (Europhysics Letters), 2018 (August), V. 123, №4, P. 44003

• Экспериментально и теоретически исследована дифракция обратной объемной спиновой волны на сквозном отверстии в ферритовой пластине для случая, когда длина спиновой волны больше диаметра отверстия, а линейный преобразователь, возбуждающий волну, перпендикулярен внешнему однородному магнитному полю. Установлено, что в одном из направлений, в которых возможно сверхнаправленное распространение этой волны, возникает отчетливая тень от отверстия, наблюдаемая на значительном расстоянии от него. То есть, в результате дифракции волны на отверстии возникает новое физическое явление – сверхразрешение, при котором угловое разрешение, наблюдаемое от тени точечного объекта, оказывается во много раз меньше, чем полученное на основе критерия разрешимости Рэлея. Получено хорошее соответствие между экспериментальными и теоретическими результатами.

  Рисунок – Экспериментальное (а) и рассчитанное (б) распределения амплитуды обратной объемной СВ в плоскости ферритовой плёнки при дифракции волны с частотой f1 = 2864 МГц на сквозном отверстии в ферритовой пленке; показаны возбуждающий преобразователь 1, отверстие 2 и рассчитанный вектор групповой скорости СВ Vs1, в направлении которого наблюдается эффект сверхразрешения (нерасширяющаяся тень от отверстия).

  Публикации:
  
  • Герус С.В., Локк Э.Г., Анненков А.Ю., Хутиева А.Б., Садовников А.В. Дифракция обратной объемной спиновой волны на сквозном отверстии в ферритовой пластине // Известия РАН. Серия физическая. 2022, том 86, № 11, С. 1642-1647

• На основе измерения пространственных спектров (спектров волновых чисел) визуализированы дисперсионные характеристики первых трех мод обратной объёмной спиновой волны, распространяющихся вдоль направления постоянного однородного магнитного поля в касательно намагниченной ферритовой пленке. Исследование выполнено методом СВЧ зондирования СВ с последующим использованием пространственного Фурье анализа комплексной амплитуды волны для ряда частот. Установлено, что каждая m-ая мода обратной объемной магнитостатической волны может дополнительно расщепляться на n мод-сателлитов из-за существования в пленке слоев с близкими магнитными параметрами. Найдено, что сателлиты первой моды этой волны возбуждаются наиболее эффективно, а сателлиты третьей моды – наименее эффективно, причем с увеличением номера n эффективность возбуждения сателлитов уменьшается. Обнаружено, что теоретические дисперсионные зависимости первых трех мод волны хорошо совпадают с экспериментальными дисперсионными зависимостями моды-сателлита, которая возбуждается наиболее эффективно.

  Рисунок – Графическое изображение, визуализирующее дисперсионные зависимости f(k) первых трёх мод обратной объемной СВ. Белые кружочки соответствуют теоретическим дисперсионным зависимостям указанных трех мод (номера мод указаны цифрами около кривых).

  Публикации:
  
  • S. V. Gerus, A. Yu. Annenkov, E. H. Lock. Experimental Visualization of Dispersion Characteristics of Backward Volume Spin Wave Modes. Journal of Magnetism and Magnetic Materials, 1 December 2022, Vol. 563, P. 169747
  • Герус С.В., Локк Э.Г., Анненков А.Ю. Влияние однородности магнитного поля, намагничивающего ферритовую плёнку, на точность измерения характеристик спиновых волн // Радиотехника и электроника, 2021, т. 66, №12, С 1216–1223.

• Представлены эксперименты и расчёты по исследованию брэгговской дифракции луча поверхностных спиновых волн с малой дифракционной расходимостью на слабоконтрастном магноном кристалле, у которого вектор решётки параллелен внешнему магнитному полю. Обнаружены эффекты смещения луча при прохождении магнонного кристалла, уширения лучей нулевого и первого порядков дифракции и появления узких сверхнаправленных дублёров этих лучей.

  Рисунок – Экспериментальная (а) и рассчитанные (б) картины распределения амплитуды ПСВ с частотой 3056 МГц при её дифракции на слабоконтрастном магноном кристалле. 1 - возбуждающий ПСВ линейный преобразователь длиной 5 мм; 2 и 3 – условные границы сверхнаправленного луча ПСВ при отсутствии магнонного кристалла; 4 и 5 – границы магнонного кристалла.

  Публикации:
  
  • Хутиева А.Б., Садовников А.В., Анненков А.Ю., Герус С.В., Локк Э.Г. Дифракция сверхнаправленного луча поверхностной спиновой волны на слабоконтрастном магнонном кристалле // Известия РАН. Серия физическая. 2021, том 85, № 11, С. 1542–1545

• Рассчитаны углы отсечки для волнового вектора и для вектора групповой скорости обратной спиновой волны, распространяющейся в касательно намагниченной ферритовой пластине. Установлено, что выражения для этих углов не зависят от номера моды и совпадают с аналогичными выражениями для соответствующих углов отсечки спиновой волны в неограниченном ферромагнетике. Найдено, что области, соответствующие всем возможным ориентациям волнового вектора для обратной и поверхностной спиновых волн в ферритовой пластине и для спиновой волны в неограниченном ферромагнетике, являются смежными и не пересекаются. Показано, что если изочастотная зависимость волны имеет точки перегиба, то интервал всех возможных ориентаций вектора групповой скорости волны может оказаться шире интервала углов, заключенного между значениями углов отсечки вектора групповой скорости.

  Рисунок – Изменение углов отсечки волнового вектора φотс1…φотс4 в зависимости от частоты f спиновой волны: 1 - 4 – для обратной спиновой волны в ферритовой пластине и для прямой спиновой волны в неограниченном ферромагнетике; 5 - 8 – для поверхностной спиновой волны в ферритовой пластине. Окружности 9, 10 и 11 соответствуют значениям частот fH = ωH/2π = 1029 МГц, f⊥ = ω⊥/2π = 2539 МГц и fмакс1  = (ωH + ωM/2)/2π = 3649 МГц. Указанные кривые и окружности ограничивают области φОСВ, φПСВ и φСВ, соответствующие множеству всех возможных ориентаций волнового вектора для перечисленных волн.

  Публикации:
  
  • Локк Э. Г. Углы отсечки обратной спиновой волны в касательно намагниченной ферритовой пластине // Радиотехника и электроника, 2018, т. 63, №8, С. 845-851

• Исследованы невзаимные свойства мод обратной спиновой волны в касательно намагниченной ферритовой пластине. Описана геометрия невзаимного возбуждения волн, при которой на поверхности касательно намагниченной ферритовой пластины реализуется максимальное отношение амплитуд магнитного потенциала для двух обратных спиновых волн с противоположно направленными волновыми векторами. Установлено, что волновые векторы этих двух волн в данной геометрии ориентированы под углами, равными максимальным углам отсечки для поверхностной спиновой волны. Получена формула для ориентации волнового вектора, при которой на распределении амплитуды магнитного потенциала m-й моды волны в сечении ферритовой пластины возникает m-я точка экстремума, лежащая на одной из поверхностей пластины.

  Рисунок – Зависимости углов φэкст1– φэкст4, при которых распределение магнитного потенциала по толщине ферритовой пластины имеет точку экстремума на поверхности пластины для всех мод ОСВ (кривые 1–4), углов отсечки волнового вектора ОСВ φотс1OCB – φотс4OCB (кривые 5–8) и углов отсечки волнового вектора ПСВ φотс1ПСВ – φотс4ПСВ (кривые 9–12) от частоты волны f. Отрезки 13–16 соответствуют значениям углов максимальной невзаимности ОСВ φR1 – φR4, а окружности 17, 18 и 19 соответствуют значениям частот fH = ωH/2π = 1029 МГц,f⊥ = ω⊥/2π = 2539 МГц и f = (ωH + ωM/2)/2π = 3649 МГц. На диаграмме показаны области φОСВ и φПСВ, соответствующие множеству всех возможных ориентаций волнового вектора обратной и поверхностной волн в ферритовой пластине.

  Публикации:
  
  • Локк Э. Г. Невзаимные свойства обратных спиновых волн // Радиотехника и электроника, 2020, т. 65, №3, С 267-276

• Предложена методика исследования двумерных поверхностных магнитостатических волн (ПМСВ) в динамических магнонных кристаллах, создаваемых поверхностной акустической волной (ПАВ) в структуре с пленкой ЖИГ

  а)

  б)

  Рисунок – Конфигурация образцов и схемы экспериментов: а) «на прохождение» б) «на отражение»

  Измерены угловые зависимости частот запрещенной магнонной зоны. Установлено, что запрещенные зоны с преобразованием отраженной ПМСВ в другие типы волн существуют при любом значении угла, а запрещенные зоны, в которых не происходит трансформации ПМСВ при отражениях, появляются в некотором более узком диапазоне углов. Также измерены углы направлений волновых векторов и вектора Пойнтинга отраженной ПМСВ. Получено удовлетворительное согласие с расчетом, выполненным с использованием метода изочастотных кривых и законов неупругого рассеяния ПМСВ на ПАВ. Описанные методы и результаты могут быть использованы при разработке новых спин-волновых устройств с двумерной топологией.

  Публикации:
  
  • Медведь А.В. Двумерные поверхностные спиновые волны в динамических магнонных кристаллах, создаваемых поверхностной акустической волной в пленках ЖИГ // Приборы и техника эксперимента, 2022, № 2, с. 122-130

• Для одновременного выяснения объемного и локального характера скачкообразного проникновения магнитного потока через границы двойникования в образец высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-x при его скачкообразном "распаде" на двойники, разработан локальный высокочастотный метод измерения динамической комплексной магнитной проницаемости с повышенным пространственным разрешением [1]. Впервые объяснены причины низкой плотности критического тока (меньшей тока распаривания Гинзбурга – Ландау на два порядка) в эпитаксиальной пленке YBCO, нанесенной поверх эластичной металлической ленты сверхпроводящих проводников второго поколения. Причина заключается в том, что несмотря на текстурирование пленок (как в плоскости, так и по вертикали) в поперечных магнитных полях, создаваемых транспортными токами лент, в пленке возникают многочисленные мелкие границы двойникования, которые невозможно было обнаружить с помощью обычных микроскопов.

  Публикации:
  
  • Ростами Х.Р. Скачкообразные квантовые фазовые переходы в вихревой системе и динамическая комплексная магнитная проницаемость двойниковых YBa₂Cu₃O_7-x высокотемпературных сверхпроводников // Физика твердого тела – 2022 – Т. 64 – № 2 – С. 155-166

• Разработан быстродействующий высокочувствительный двухступенчатый холловский магнитометр с повышенной линейностью и пространственным разрешением [2 – 5]. Чувствительность магнитометра превышает 8 × 10^-11 Т, а точность и линейность превышает 0.01%. Повышение чувствительности было достигнуто за счет использования резкого скачка магнитного отклика эпитаксиальной пленки высокотемпературного сверхпроводника YBa₂Cu₃O_7-x, расположенного на поверхности преобразователя Холла, при первом термодинамическом критическом магнитном поле двойников Hic1. Для повышения чувствительности, линейности и помехоустойчивости магнитометра начало его рабочей точки смещено до значений Hic1 двойников путем приложения постоянного опорного магнитного поля, а также использовано осциллирующее затухающее локальное поле подмагничивания. Этим суммарным полем, направленным перпендикулярно к поверхности пленки, также обеспечивалось повышение пространственного разрешения магнитометра, определяемого линейными размерами двойников YBCO-пленки, значение которого достигало ~300 нм (с уменьшением до 20 нм при соответствующих минимальных размерах двойников).

  Публикации:
  
  • Khalil R. Rostami Ivan P. Nikitin. «High-sensitivity two-stage Hall magnetometer with enhanced linearity and spatial resolution». Measurement. Vol. 153, 1 March 2020, 107423
  • Ростами Х. Р. Никитин И. П., Лузанов В. А. Способ создания высокочувствительных двухступенчатых холловских магнитометров с повышенными линейностью и пространственным разрешением. Радиотехника и электроника, 2021, т. 66, №10, С. 1029-1038
  • Khalil R. Rostami, Ivan P. Nikitin. High-speed two-stage Hall magnetometer with increased resolution // Sensors and Actuators A: Physical – 2022 – Vol. 346 – P. 113841.
  • Rostami, K.R. A Two-Stage Hall Magnetometer with Improved Characteristics Provided by an HTSC Sensor // Instruments and Experimental Techniques – 2022 – Vol. 65 – №3 – P. 461–473

• Рассмотрены научные и технические задачи, связанные с расширением функциональных возможностей геостационарного детектора молний. Выявлены проблемы, возникающие при использовании узкополосной оптической фильтрации, выполняемой для выделения самого яркого триплета в оптическом спектре излучения молнии с длинами волн 777.19, 777.42 и 777.54 нм на фоне отраженного от облаков солнечного света. С геостационарной орбиты Земля видна под углом ≈17.5° и возникают существенные различия спектров пропускания узкополосного интерференционного фильтра для разных углов падения света. Для решения этих проблем предложено использовать в детекторе молний акустооптический фильтр.

  Публикации:
  
  • Filatov A.L. Possibility of using GLM data for studying plasma phenomena // Solar-terrestrial physics – 2022 – Vol. 8 – № 3 – P. 82–85.
  • Filatov A. L. Optimization of Narrow-Band Wide-Angle Filtering in a Geostationary Lightning Mapper // Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics – 2022 – Vol. 86 – № 11 – P. 1371–1375.

Информация о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН