Resonant and nonlinear phenomena during the propagation of magnetostatic waves in multiferroid, semiconductor and metallized structures based on ferromagnetic films and magnonic crystals

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Purpose of this work is to compile an overview of a new and fruitful scientific direction in magnonics, which grew out of the works of Ph.D., Professor Yuri Pavlovich Sharaevsky, and related to the study of resonant and nonlinear phenomena during the propagation of magnetostatic waves in ferromagnetic films, ferromagnetic films with periodic inhomogeneities (magnonic crystals), coupled (layered and lateral) ferromagnetic structures, as well as ferromagnetic structures with layers of a different physical nature (semiconductor, ferroelectric, piezoelectric, normal metal layers). Methods. Experimental and theoretical methods have been used to study spin-wave excitations in a wide class of structures with ferromagnetic layers. In particular, experimental radiophysical methods of microwave measurements and optical methods of Mandelstam-Brillouin spectroscopy. For the construction of theoretical models, the following methods are used: the method of coupled waves, the method of crosslinking magnetic permeability at the boundaries of layers, the method of transmission matrices, long-wave approximation. Results. The presented results are of general scientific importance for understanding the basic laws of the joint influence of coupling, periodicity and interactions of different physical nature (the influence on the magnetostatic wave of deformation in periodic structures with piezoelectric, electromagnetic wave in structures with ferroelectric, electric current in structures with semiconductor, spin current in structures with normal metal). In applied terms, the identified effects open up wide opportunities for creation of new devices of spin-wave electronics with the possibility of dynamic control of characteristics when changing the electric and magnetic fields, as well as the power of the input signal. Conclusions. The review of the most interesting results obtained by the authors together with Yuri Pavlovich and which are an ideological continuation of the foundations laid by him is given. 

About the authors

Maria Aleksandrovna Morozova

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

Oleg Valeryevich Matveev

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

References

  1. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике СВЧ. Саратов: Издательство Саратовского университета, 1993. 312 с.
  2. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Наука, 1994. 464 с.
  3. Barman A., Gubbiotti G., Ladak S. etal. The 2021 magnonics roadmap // J. Phys. Condens. Matter. 2021. Vol. 33, no. 41. P. 413001. doi: 10.1088/1361-648X/abec1a.
  4. Никитов С. А., Калябин Д. В., Лисенков И. В., Славин А. Н., Барабаненков Ю. Н., Осокин С. А., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Филимонов Ю. А., Хивинцев Ю. В., Высоцкий С. Л., Сахаров В. К., Павлов Е. С. Магноника - новое направление спинтроники и спин-волновой электроники // УФН. 2015. Т. 185, № 10. С. 1099-1128. doi: 10.3367/UFNr.0185.201510m.1099.
  5. Никитов С. А., Сафин А. Р., Калябин Д. В., Садовников А. В., Бегинин Е. Н., Логунов М. В., Морозова М. А., Одинцов С. А., Осокин С. А., Шараевская А.Ю., Шараевский Ю. П., Кирилюк А. И. Диэлектрическая магноника - от гигагерцев к терагерцам // УФН. 2020. Т. 190, № 10. С. 1009-1040. doi: 10.3367/UFNr.2019.07.038609.
  6. Гуляев Ю. В., Никитов С. А. Магнонные кристаллы - спиновые волны в периодических структурах // Доклады Академии наук. 2001. Т. 380, № 4. С. 469-471.
  7. Chumak A. V., Vasyuchka V. I., Serga A. A., Hillebrands B. Magnon spintronics // Nature Physics. 2015. Vol. 11, no. 6. P. 453-461. doi: 10.1038/nphys3347.
  8. Krawczyk M., Grundler D. Review and prospects of magnonic crystals and devices with reprogrammable band structure // J. Phys. Condens. Matter. 2014. Vol. 26, no. 12. P. 123202. doi: 10.1088/0953-8984/26/12/123202.
  9. Шараевский Ю. П., Морозова М. А., Гришин С. В. Магнитостатические волны в электронике СВЧ // В кн.: Методы нелинейной динамики и теории хаоса в задачах электроники сверхвысоких частот. Т. 2. Нестационарные и хаотические процессы / под ред. Трубецкова Д. И., Храмова А. Е., Короновского А. А. Гл. 11. М.: Физматлит, 2009. С. 348-379.
  10. Chumak A. V., Serga A. A., Hillebrands B. Magnonic crystals for data processing // J. Phys. D. Appl. Phys. 2017. Vol. 50, no. 24. P. 244001. doi: 10.1088/1361-6463/aa6a65.
  11. Ustinov A. B., Drozdovskii A. V., Kalinikos B. A. Multifunctional nonlinear magnonic devices for microwave signal processing // Appl. Phys. Lett. 2010. Vol. 96, no. 14. P. 142513. DOI: 10.1063/ 1.3386540.
  12. Sharaevsky Y. P., Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Morozova M. A., Sheshukova S. E., Sharaevskaya A. Y., Grishin S. V., Romanenko V., Nikitov S. A. Coupled spin waves in magnonic waveguides // In: Demokritov S. O. (ed) Spin Wave Confinement: Propagating Waves. 2nd ed. Ch. 2. New York: CRC Press, 2017. P. 47-76. doi: 10.1201/9781315110820-3.
  13. Khitun A., Bao M., Wang K. L. Magnonic logic circuits // J. Phys. D. Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264005. doi: 10.1088/0022-3727/43/26/264005.
  14. Nikitin A. A., Nikitin A. A., Kondrashov A. V., Ustinov A. B., Kalinikos B. A., Lahderanta E. Theory of dual-tunable thin-film multiferroic magnonic crystal // J. Appl. Phys. 2017. Vol. 122, no. 15. P. 153903. doi: 10.1063/1.5000806.
  15. Бухараев A. А., Звездин А. К., Пятаков А. П., Фетисов Ю. К. Стрейнтроника - новое направление микро- и наноэлектроники и науки о материалах // УФН. 2018. Т. 188, № 12. С. 1288-1330. doi: 10.3367/UFNr.2018.01.038279.
  16. Гуляев Ю. В., Никитов С. А. Распространение поверхностных магнитостатических волн в пленках феррита с периодической полупроводниковой структурой // ФТТ. 1983. Т. 25, № 8. С. 2515-2517.
  17. Sidorenko A. Functional Nanostructures and Metamaterials for Superconducting Spintronics: From Superconducting Qubits to Self-Organized Nanostructures. Cham: Springer, 2018. 270 p. doi: 10.1007/978-3-319-90481-8.
  18. Zhou Y., Jiao H., Chen Y.-T., Bauer G. E. W., Xiao J. Current-induced spin-wave excitation in Pt/YIG bilayer // Phys. Rev. B. 2013. Vol. 88, no. 18. P. 184403. doi: 10.1103/PhysRevB.88.184403.
  19. Wang Q., Pirro P., Verba R., Slavin A., Hillebrands B., Chumak A. V. Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler // Science Advances. 2018. Vol. 4, no. 1. P. e1701517. doi: 10.1126/sciadv. 1701517.
  20. Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Шешукова С. Е., Жаманова М. К. Исследование эффектов самовоздействия магнитостатических волн в ферромагнитной структуре на основе системы уравнений Шредингера с когерентной или некогерентной связью // ФТТ. 2012. Т. 54, № 8. С. 1478-1486.
  21. Бегинин Е. Н., Морозова М. А., Шараевский Ю. П. Нелинейные эффекты самовоздействия волн в 2D-связанных ферромагнитных структурах // ФТТ. 2010. Т. 52, № 1. С. 76-82.
  22. Шараевский Ю. П., Малюгина М. А., Яровая Е. В. Модуляционная неустойчивость поверхностных магнитостатических волн в структурах типа ферромагнетик-диэлектрик- ферромагнетик // Письма в ЖТФ. 2006. Т. 32, № 3. С. 33-39.
  23. Morozova M. A., Romanenko D. V., Matveev O. V., Grishin S. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Suppression of periodic spatial power transfer in a layered structure based on ferromagnetic films // J. Magn. Magn. Mater. 2018. Vol. 466. P. 119-124. doi: 10.1016/j.jmmm.2018.06.077.
  24. Nikitov S. A., Tailhades P., Tsai C. S. Spin waves in periodic magnetic structures-magnonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2001. Vol. 236, no. 3. P. 320-330. doi: 10.1016/S0304- 8853(01)00470-X.
  25. Букесов С. А., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Поверхностные магнитостатические волны в структуре с периодическими границами // Тез. Докл. III Всесоюзной школы - семинара «Спинволновая электроника СВЧ». Краснодар, 1987. С. 31-32.
  26. Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Шешукова С. Е. Механизмы формирования солитонов огибающей в периодических ферромагнитных структурах // Известия вузов. ПНД. 2010. Т. 18, № 5. С. 111-120. doi: 10.18500/0869-6632-2010-18-5-111-120.
  27. Morozova M. A., Sadovnikov A. V., Matveev O. V., Sharaevskaya A. Y., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Band structure formation in magnonic Bragg gratings superlattice // J. Phys. D. Appl. Phys. 2020. Vol. 53, no. 39. P. 395002. doi: 10.1088/1361-6463/ab95c0.
  28. Morozova M. A., Matveev O. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A., Sadovnikov A. V. Nonlinear signal processing with magnonic superlattice with two periods // Appl. Phys. Lett. 2022. Vol. 120, no. 12. P. 122407. doi: 10.1063/5.0083133.
  29. Morozova M. A., Grishin S. V., Sadovnikov A. V., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Band gap control in a line-defect magnonic crystal waveguide // Appl. Phys. Lett. 2015. Vol. 107, no. 24. P. 242402. doi: 10.1063/1.4937440.
  30. Morozova M. A., Sharaevskaya A. Y., Sadovnikov A. V., Grishin S. V., Romanenko D. V., Beginin E. N., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Band gap formation and control in coupled periodic ferromagnetic structures // J. Appl. Phys. 2016. Vol. 120, no. 22. P. 223901. doi: 10.1063/1.4971410.
  31. Morozova M. A., Grishin S. V., Sadovnikov A. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Magnonic bandgap control in coupled magnonic crystals // IEEE Trans. Magn. 2014. Vol. 50, no. 11. P. 4007204. doi: 10.1109/TMAG.2014.2321611.
  32. Морозова М. А., Матвеев О. В., Шараевский Ю. П. Распространение импульсов в нелинейной системе на основе связанных магнонных кристаллов // ФТТ. 2016. Т. 58, № 10. С. 1899-1906.
  33. Morozova M.A., Matveev O.V., Romanenko D.V., Trukhanov A.V., Mednikov A.M., Sharaevskii Y.P., Nikitov S.A. Nonlinear spin wave switches in layered structure based on magnonic crystals // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 508. P. 166836. doi: 10.1016/j.jmmm.2020.166836.
  34. Прокушкин В. Н., Шараевский Ю. П. Поверхностные магнитостатические волны в ферритовой структуре с импедансными границами // Радиотехника и электроника. 1987. Т. 32, № 8. С. 1750-1752.
  35. Прокушкин В. Н., Шараевский Ю. П. Влияние реактивной импедансной нагрузки на характеристики магнитостатических волн // Радиотехника и электроника. 1993. Т. 38, № 9. С. 1551-1553.
  36. Morozova M. A., Romanenko D. V., Serdobintsev A. A., Matveev O. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Magnonic crystal-semiconductor heterostructure: Double electric and magnetic fields control of spin waves properties // J. Magn. Magn. Mater. 2020. Vol. 514. P. 167202. doi: 10.1016/j.jmmm. 2020.167202.
  37. Матвеев О. В., Романенко Д. В., Морозова М. А. Линейные и нелинейные эффекты в структурах на основе магнонных кристаллов и полупроводников // Письма в ЖЭТФ. 2022. Т. 115, № 5-6. С. 379-383. doi: 10.31857/S1234567822060052.
  38. Morozova M. A., Grishin S. V., Sadovnikov A. V., Romanenko D. V., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Tunable bandgaps in layered structure magnonic crystal-ferroelectric // IEEE Trans. Magn. 2015. Vol. 51, no. 11. P. 2802504. doi: 10.1109/TMAG.2015.2446763.
  39. Морозова М. А., Матвеев О. В., Шараевский Ю. П., Никитов С. А. Управление запрещенными зонами в слоистой структуре магнонный кристалл-сегнетоэлектрик-магнонный кристалл // ФТТ. 2016. Т. 58, № 2. С. 266-272.
  40. Grachev A. A., Matveev O. V., Mruczkiewicz M., Morozova M. A., Beginin E. N., Sheshukova S. E., Sadovnikov A. V. Strain-mediated tunability of spin-wave spectra in the adjacent magnonic crystal stripes with piezoelectric layer // Appl. Phys. Lett. 2021. Vol. 118, no. 26. P. 262405. doi: 10.1063/5.0051429.
  41. Морозова М. А., Матвеев О. В., Романенко Д. В., Шараевский Ю. П., Никитов С. А. Устройство на магнитостатических волнах для пространственного разделения СВЧ-сигналов разного уровня мощности. Патент № 2702916 С1 Российская Федерация, МПК H01P 1/22 : заявл. 07.05.2019 : опубл. 14.10.2019. Заявитель: ИРЭ им. В. А. Котельникова РАН. 13 с.
  42. Бегинин Е. Н., Садовников А. В., Попов П. А., Шараевская А.Ю., Калябин Д. В., Стогний А. И., Морозова М. А., Никитов С. А. Функциональный компонент магноники на многослойной ферромагнитной структуре. Патент № 2702915 С1 Российская Федерация, МПК H01P 1/218 : заявл. 25.01.2019 : опубл. 14.10.2019. Заявитель: ИРЭ им В. А. Котельникова РАН. 11 с.
  43. Морозова М. А., Матвеев О. В., Романенко Д. В., Медников А. М. Наноразмерные мультиферроики для применения в магнонной нейроморфной архитектуре // Наноиндустрия. 2021. Т. 14, № S7(107). С. 685-687. doi: 10.22184/1993-8578.2021.14.7s.685.687.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies