Влияние параметрической неустойчивости на спиновую накачку дипольно-обменными поверхностными магнитостатическими волнами в структурах ЖИГ–Pt

Обложка

Цитировать

Полный текст

Аннотация

Цель работы — с помощью обратного спинового эффекта Холла экспериментально исследовать влияние четырехмагнонной параметрической неустойчивости на спиновую накачку дипольно-обменными поверхностными магнитостатическими волнами в структурах на основе пленок железоиттриевого граната (ЖИГ) и платины (Pt). Методы. Эксперименты выполнялись с макетом линии задержки на основе структуры ЖИГ/Pt, в котором ЭДС (U), индуцированная за счет обратного спинового эффекта Холла, демонстрирует рост на частотах резонансного взаимодействия дипольной поверхностной магнитостатической волны с объемными обменными модами. Исследовались амплитудно-частотные и фазочастотные характеристики макета линии задержки, а также частотная зависимость сигнала ЭДС (U(f)) с платины в зависимости от мощности поверхностной магнитостатической волны. Результаты. Показано, что резонансный рост ЭДС на частотах дипольно-обменных резонансов обусловлен наличием на таких частотах сингулярностей ван Хова в плотности состояний спиновых волн, что приводит к росту эффективности электрон-магнонного рассеяния на интерфейсе ЖИГ–Pt. Рост мощности поверхностных магнитостатических волн за порогом развития четырехмагнонной неустойчивости приводит к «сглаживанию» резонансных особенностей в частотной зависимости ЭДС U(f), что объясняется снижением эффективности спиновой накачки из-за разрушения дипольно-обменных резонансов и связанных с ними сингулярностей в плотности состояний спиновых волн. Заключение. Полученные результаты могут представлять интерес для разработки высокочувствительных детекторов спинового тока, а также для создания устройств спинтроники. 

Об авторах

Михаил Евгеньевич Селезнёв

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского

410012, Россия, Саратов, ул. Астраханская, 83

Юрий Васильевич Никулин

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)

410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Юрий Владимирович Хивинцев

Саратовский национальный исследовательский государственный университет имени Н.Г. Чернышевского; Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)

410012, Россия, Саратов, ул. Астраханская, 83

Сергей Львович Высоцкий

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)

410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Александр Владимирович Кожевников

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)

410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Валентин Константинович Сахаров

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)

410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Галина Михайловна Дудко

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ); Научно-производственный комплекс «Прецизионное оборудование»

410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Юрий Александрович Филимонов

Саратовский филиал Института радиотехники и электроники имени В.А.Котельникова РАН (СФ ИРЭ)

410019 Саратов, ул. Зеленая, 38 Телефон: (8452) 24-58-23

Список литературы

  1. Kajiwara Y., Harii K., Takahashi S., Ohe J., Uchida K., Mizuguchi M., Umezawa H., Kawai H., Ando K., Takanashi K., Maekawa S., Saitoh E. Transmission of electrical signals by spin-wave interconversion in a magnetic insulator // Nature. 2010. Vol. 464, no. 7286. P. 262–266. doi: 10.1038/nature08876.
  2. Sinova J., Valenzuela S. O., Wunderlich J., Back C. H., Jungwirth T. Spin Hall effects // Rev. Mod. Phys. 2015. Vol. 87, no. 4. P. 1213–1260. doi: 10.1103/RevModPhys.87.1213.
  3. Althammer M. Pure spin currents in magnetically ordered insulator/normal metal heterostructures // J. Phys. D: Appl. Phys. 2018. Vol. 51, no. 31. P. 313001. doi: 10.1088/1361-6463/aaca89.
  4. Brataas A., van Wees B., Klein O., de Loubens G., Viret M. Spin insulatronics // Physics Reports. 2020. Vol. 885. P. 1–27. doi: 10.1016/j.physrep.2020.08.006.
  5. Sandweg C. W., Kajiwara Y., Ando K., Saitoh E., Hillebrands B. Enhancement of the spin pumping efficiency by spin wave mode selection // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 97, no. 25. P. 252504. doi: 10.1063/1.3528207.
  6. Chumak A. V., Serga A. A., Jungfleisch M. B., Neb R., Bozhko D. A., Tiberkevich V. S., Hillebrands B. Direct detection of magnon spin transport by the inverse spin Hall effect // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, no. 8. P. 082405. doi: 10.1063/1.3689787.
  7. Balinsky M., Ranjbar M., Haidar M., Durrenfeld P., Khartsev S., Slavin A., Akerman J., Dumas R. K. Spin pumping and the inverse spin-hall effect via magnetostatic surface spin-wave modes in Yttrium-Iron garnet/platinum bilayers // IEEE Magn. Lett. 2015. Vol. 6. P. 3000604. doi: 10.1109/LMAG.2015.2471276.
  8. Iguchi R., Ando K., Qiu Z., An T., Saitoh E., Sato T. Spin pumping by nonreciprocal spin waves under local excitation // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 102, no. 2. P. 022406. doi: 10.1063/1.4775685.
  9. d’Allivy Kelly O., Anane A., Bernard R., Ben Youssef J., Hahn C., Molpeceres A. H., Carretero C., Jacquet E., Deranlot C., Bortolotti P., Lebourgeois R., Mage J.-C., de Loubens G., Klein O., Cros V., Fert A. Inverse spin Hall effect in nanometer-thick yttrium iron garnet/Pt system // Appl. Phys. Lett. 2013. Vol. 103, no. 8. P. 082408. doi: 10.1063/1.4819157.
  10. Uchida K., Xiao J., Adachi H., Ohe J., Takahashi S., Ieda J., Ota T., Kajiwara Y., Umezawa H., Kawai H., Bauer G. E. W., Maekawa S., Saitoh E. Spin Seebeck insulator // Nature Materials. 2010. Vol. 9, no. 11. P. 894–897. doi: 10.1038/nmat2856.
  11. Agrawal M., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Kirihara A., Pirro P., Langner T., Jungfleisch M. B., Chumak A. V., Papaioannou E. T., Hillebrands B. Role of bulk-magnon transport in the temporal evolution of the longitudinal spin-Seebeck effect // Phys. Rev. B. 2014. Vol. 89, no. 22. P. 224414. doi: 10.1103/PhysRevB.89.224414.
  12. Sandweg C. W., Kajiwara Y., Chumak A. V., Serga A. A., Vasyuchka V. I., Jungfleisch M. B., Saitoh E., Hillebrands B. Spin pumping by parametrically excited exchange magnons // Phys. Rev. Lett. 2011. Vol. 106, no. 21. P. 216601. doi: 10.1103/PhysRevLett.106.216601.
  13. Kurebayashi Н., Dzyapko O., Demidov V. E., Fang D., Ferguson A. J. Demokritov S. O. Controlled enhancement of spin-current emission by three-magnon splitting // Nature Materials. 2011. Vol. 10, no. 9. P. 660–664. doi: 10.1038/nmat3053.
  14. Kurebayashi H., Dzyapko O., Demidov V. E., Fang D., Ferguson A. J., Demokritov S. O. Spin pumping by parametrically excited short-wavelength spin waves // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99, no. 16. P. 162502. doi: 10.1063/1.3652911.
  15. Manuilov S. A., Du C. H., Adur R., Wang H. L., Bhallamudi V. P., Yang F. Y., Hammel P. C. Spin pumping from spinwaves in thin film YIG // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, no. 4. P. 042405. doi: 10.1063/1.4927451.
  16. Tveten E. G., Brataas A., Tserkovnyak Y. Electron-magnon scattering in magnetic heterostructures far out of equilibrium // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92, no. 18. P. 180412. doi: 10.1103/PhysRevB. 92.180412.
  17. Saitoh E., Ueda M., Miyajima H., Tatara G. Conversion of spin current into charge current at room temperature: Inverse spin-Hall effect // Appl. Phys. Lett. 2006. Vol. 88, no. 18. P. 182509. doi: 10.1063/1.2199473.
  18. Maekawa S., Adachi H., Uchida K., Ieda J., Saitoh E. Spin current: Experimental and theoretical aspects // J. Phys. Soc. Jpn. 2013. Vol. 82, no. 10. P. 102002. doi: 10.7566/JPSJ.82.102002.
  19. Van Hove L. The occurrence of singularities in the elastic frequency distribution of a crystal // Phys. Rev. 1953. Vol. 89, no. 6. P. 1189–1193. doi: 10.1103/PhysRev.89.1189.
  20. Damon R. W., Eshbach J. R. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab // Journal of Physics and Chemistry of Solids. 1961. Vol. 19, no. 3–4. P. 308–320. doi: 10.1016/0022-3697(61)90041-5.
  21. Nikulin Y. V., Seleznev М. Е., Khivintsev Y. V., Sakharov V. К., Pavlov E. S., Vysotskii S. L., Kozhevnikov A. V., Filimonov Y. A. EMF generation by propagating magnetostatic surface waves in integrated thin-film Pt/YIG structure // Semiconductors. 2020. Vol. 54, no. 12. P. 1721–1724. doi: 10.1134/S106378262012026X.
  22. Селезнев М. Е., Никулин Ю. В., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Кожевников А. В., Сахаров В. К., Дудко Г. М., Павлов Е. С., Филимонов Ю. А. Влияние трехмагнонных распадов на генерацию ЭДС поверхностными магнитостатическими волнами в интегральных структурах ЖИГ– Pt // Известия вузов. ПНД. 2022. Т. 30, № 5. С. 617–643. doi: 10.18500/0869-6632- 003008.
  23. De Wames R. E., Wolfram T. Dipole-exchange spin waves in ferromagnetic films // J. Appl. Phys. 1970. Vol. 41, no. 3. P. 987–993. doi: 10.1063/1.1659049.
  24. Селезнев М. Е., Никулин Ю. В., Сахаров В. К., Хивинцев Ю. В., Кожевников А. В., Высоцкий С. Л., Филимонов Ю. А. Влияние резонансного взаимодействия поверхностных магнитостатических волн с обменными модами на генерацию ЭДC в структурах YIG/Pt // ЖТФ. 2021. Т. 91, № 10. С. 1504–1508. doi: 10.21883/JTF.2021.10.51363.136-21.
  25. Никулин Ю. В., Кожевников А. В., Высоцкий С. Л., Селезнев М. Е., Хивинцев Ю. В., Филимонов Ю. А. Исследование интерференции поверхностных магнитостатических волн с помощью обратного спинового эффекта Холла // ФТТ. 2022. Т. 64, № 9. С. 1293–1297. doi: 10.21883/FTT.2022.09.52822.21HH.
  26. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит, 1994. 464 с.
  27. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Издательство Саратовского университета, 1993. 312 с.
  28. Львов В. С. Нелинейные спиновые волны. М.: Наука, 1987. 272 с.
  29. Castel V., Vlietstra N., Ben Youssef J., Van Wees B. J. Platinum thickness dependence of the inverse spin-Hall voltage from spin pumping in a hybrid yttrium iron garnet/platinum system // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 101, no. 13. P. 132414. doi: 10.1063/1.4754837.
  30. Castel V., Vlietstra N., Van Wees B. J., Ben Youssef J. Frequency and power dependence of spin-current emission by spin pumping in a thin-film YIG/Pt system // Phys. Rev. B. 2012. Vol. 86, no. 13. P. 134419. doi: 10.1103/PhysRevB.86.134419.
  31. Jungfleisch M. B., Chumak A. V., Kehlberger A., Lauer V., Kim D. H., Onbasli M. C., Ross C. A., Klaui M., Hillebrands B. Thickness and power dependence of the spin-pumping effect in Y3Fe5O12/Pt heterostructures measured by the inverse spin Hall effect // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 91, no. 13. P. 134407. doi: 10.1103/PhysRevB.91.134407.
  32. Watanabe S., Hirobe D., Shiomi Y., Iguchi R., Daimon S., Kameda M., Takahashi S., Saitoh E. Generation of megahertz-band spin currents using nonlinear spin pumping // Scientific Reports. 2017. Vol. 7, no. 1. P. 4576. doi: 10.1038/s41598-017-04901-4.
  33. Ando K., Saitoh E. Spin pumping driven by bistable exchange spin waves // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 109, no. 2. P. 026602. doi: 10.1103/PhysRevLett.109.026602.
  34. Khivintsev Y. V., Filimonov Y. A., Nikitov S. A. Spin wave excitation in yttrium iron garnet films with micron-sized antennas // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 106, no. 5. P. 052407.doi: 10.1063/1.4907626.
  35. Nur Kholid F., Hamara D., Terschanski M., Mertens F., Bossini D., Cinchetti M., McKenzie-Sell L., Patchett J., Petit D., Cowburn R., Robinson J., Barker J., Ciccarelli C. Temperature dependence of the picosecond spin Seebeck effect // Appl. Phys. Lett. 2021. Vol. 119, no. 3. P. 032401. doi: 10.1063/5.0050205.
  36. Медников А. М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленках ЖИГ // ФТТ. 1981. Т. 23, № 1. С. 242–245.
  37. Темирязев А. Г. Механизм преобразования частоты поверхностной магнитостатической волны в условиях трехмагнонного распада // ФТТ. 1987. Т. 29, № 2. С. 313–319.
  38. Ползикова Н. И., Раевский А. О., Темирязев А. Г. Влияние обменного взаимодействия на границу трехмагнонного распада волны Дэймона–Эшбаха в тонких пленках ЖИГ // ФТТ. 1984. Т. 26, № 11. С. 3506–3508.
  39. Казаков Г. Т., Кожевников А. В., Филимонов Ю. А. Четырехмагнонный распад поверхностных магнитостатических волн в пленках железо-иттриевого граната // ФТТ. 1997. Т. 39, № 2. С. 330–338.
  40. Казаков Г. Т., Кожевников А. В., Филимонов Ю. А. Влияние параметрически возбужденных спиновых волн на дисперсию и затухание поверхностных магнитостатических волн в ферритовых пленках // ЖЭТФ. 1999. Т. 115, № 1. С. 318–332.
  41. Гуляев Ю. В., Бугаев А. С., Зильберман П. Е., Игнатьев И. А., Коновалов А. Г., Луговской А. В., Медников А. М., Нам Б. П., Николаев Е. И. Гигантские осцилляции прохождения квазиповерхностной спиновой волны через тонкую пленку железо-иттриевого граната // Письма в ЖЭТФ. 1979. Т. 30, № 9. P. 600–603.
  42. Гуляев Ю. В., Зильберман П. Е., Луговской А. В. Влияние неоднородного обмена и диссипации на распространение поверхностных волн Деймона-Эшбаха в ферромагнитной пластине // ФТТ. 1981. Т. 23, № 4. С. 1136–1142.
  43. Donahue M. J., Porter D. G. OOMMF User’s Guide. Interagency Report NISTIR 6376. Gaithersburg, MD: National Institute of Standards and Technology, 1999. 94 p. doi: 10.6028/NIST.IR.6376.
  44. Dvornik M., Au Y., Kruglyak V. V. Micromagnetic Simulations in Magnonics. In: Demokritov S., Slavin A. (eds) Magnonics. Vol. 125 of Topics in Applied Physics. Berlin: Springer, 2013. P. 101–115. doi: 10.1007/978-3-642-30247-3_8.
  45. Сахаров В. К., Хивинцев Ю. В., Дудко Г. М., Джумалиев А. С., Высоцкий С. Л., Стогний А. И., Филимонов Ю. А. Особенности распространения спиновых волн в магнонных кристаллах с неоднородным распределением намагниченности по толщине // ФТТ. 2022. Т. 64, № 9. С. 1255–1262. doi: 10.21883/FTT.2022.09.52815.11HH.
  46. Бугаев А. С., Галкин О. Л., Гуляев Ю. В., Зильберман П. Е. Увлечение электронов магнитостатической волной в слоистой структуре феррит-металл // Письма в ЖТФ. 1982. Т. 8, № 8. С. 485–488.
  47. Веселов A. Г., Высоцкий С. Л., Казаков Г. Т., Сухарев А. Г., Филимонов Ю. А. Поверхностные магнитостатические волны в металлизированных пленках ЖИГ // Радиотехника и электроника. 1994. Т. 39, № 12. С. 2067–2074.
  48. Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В. Взаимодействие поверхностной магнитостатической и объемных упругих волн в металлизированной структуре ферромагнетик-диэлектрик // Радиотехника и электроника. 2002. Т. 47, № 8. С. 1002–1007.
  49. Сахаров В. К., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Стогний А. И., Дудко Г. М., Филимонов Ю. А. Влияние мощности входного сигнала на распространение поверхностных магнитостатических волн в плёнках железо-иттриевого граната на подложках кремния // Известия вузов. ПНД. 2017. Т. 25, № 1. С. 35–51. doi: 10.18500/0869-6632-2017-25-1-35-51.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».