Magnetic metasurfaces with metallic inclusions

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Purpose of this paper is the development and creation of the magnetic metasurfaces with metallic inclusions operating both in the microwave and terahertz frequency ranges. Methods. The Maxwell’s equations and the expressions for the effective medium parameters are used to build the analytical models of the magnetic metasurfaces based on either a ferromagnetic (FM) or antiferromagnetic (AFM) dielectric matrix, containing a two-dimensional periodic structure of thin metal (non-magnetic) wires surrounded by insulators. Numerical simulation of such structures operating in the microwave range is carried out using the MaxLLG software package. The magnetron sputtering, liquid etching, optical lithography, and lift-off photolithography are used to create bicomponent magnetic metasurfaces, consisting of two magnetic materials with very different values of magnetization. The study of linear and nonlinear characteristics of the bicomponent magnetic metasurfaces is carried out using the methods of microwave and Brillouin spectroscopy. Results. Based on the developed analytical model of the magnetic metasurface with metallic (nonmagnetic) inclusions it is shown that the FM metasurface possesses properties of a left-handed medium in a microwave range and the AFM metasurface possesses similar properties in a terahertz range. In the last case, the material parameters of the AFM metasurface are twice negative in two frequency bands. For the magnetic metasurfaces with metallic magnetic inclusions, the formation of absorption bands in the spectrum of a traveling magnetostatic surface spin wave due to the resonant properties of the inclusions has been established. In the nonlinear regime, the effect of nonreciprocal parametric three-wave resonance was obtained. Conclusion. The results presented in the paper demonstrate a number of physical phenomena that are observed only in the magnetic metasurfaces with metallic (nonmagnetic and magnetic) inclusions. 

About the authors

Mariya Denisovna Amel'chenko

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

Anastasia Sergeevna Bir

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

Feodor Yurevich Ogrin

University of Exeter

North Park Road Exeter UK

Sergej Aleksandrovich Odintsov

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

Dmitrij Vladimirovich Romanenko

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

Aleksandr Vladimirovich Sadovnikov

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

Sergej Apollonovich Nikitov

Kotel'nikov Institute of Radioengineering and Electronics of Russian Academy of Sciences

Mokhovaya 11-7, Moscow, 125009, Russia

Sergej Valerevich Grishin

Saratov State University

ul. Astrakhanskaya, 83, Saratov, 410012, Russia

References

  1. Веселаго В. Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями ε и µ // УФН. 1967. Т. 92, № 3. С. 517-526. doi: 10.3367/UFNr.0092.196707d.0517.
  2. Pendry J. B., Holden A. J., Stewart W. J., Youngs I. Extremely low frequency plasmons in metallic mesostructures // Phys. Rev. Lett. 1996. Vol. 76, no. 25. P. 4773-4776. doi: 10.1103/PhysRevLett. 76.4773.
  3. Smith D. R., Padilla W. J., Vier D. C., Nemat-Nasser S. C., Schultz S. Composite medium with simultaneously negative permeability and permittivity // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 84, no. 18. P. 4184-4187. doi: 10.1103/PhysRevLett.84.4184.
  4. Pendry J. B. Negative refraction makes a perfect lens // Phys. Rev. Lett. 2000. Vol. 85, no. 18. P. 3966-3969. doi: 10.1103/PhysRevLett.85.3966.
  5. Шараевский Ю. П. «Левые» среды. Чем они интересны? // Известия вузов. ПНД. 2012. Т. 20, № 1. С. 33-42. doi: 10.18500/0869-6632-2012-20-1-33-42.
  6. Schurig D., Mock J. J., Justice B. J., Cummer S. A., Pendry J. B., Starr A. F., Smith D. R. Metamaterial electromagnetic cloak at microwave frequencies // Science. 2006. Vol. 314, no. 5801. P. 977-980. doi: 10.1126/science.1133628.
  7. Soukoulis C. M., Wegener M. Past achievements and future challenges in the development of three-dimensional photonic metamaterials // Nature Photonics. 2011. Vol. 5, no. 9. P. 523-530. doi: 10.1038/nphoton.2011.154.
  8. Kildishev A. V., Boltasseva A., Shalaev V. M. Planar photonics with metasurfaces // Science. 2013. Vol. 339, no. 6125. P. 1232009. doi: 10.1126/science.1232009.
  9. Glybovski S. B., Tretyakov S. A., Belov P. A., Kivshar Y. S., Simovski C. R. Metasurfaces: From microwaves to visible // Physics Reports. 2016. Vol. 634. P. 1-72. doi: 10.1016/j.physrep. 2016.04.004.
  10. Chen H.-T., Taylor A. J., Yu N. A review of metasurfaces: physics and applications // Rep. Prog. Phys. 2016. Vol. 79, no. 7. P. 076401. doi: 10.1088/0034-4885/79/7/076401.
  11. Ремнев М. А., Климов В. В. Метаповерхности: новый взгляд на уравнения Максвелла и новые методы управления светом // УФН. 2018. Т. 188, № 2. С. 169-205. doi: 10.3367/UFNr.2017.08.038192.
  12. Беспятых Ю. И., Бугаев А. С., Дикштейн И. Е. Поверхностные поляритоны в композитных средах с временной дисперсией диэлектрической и магнитной проницаемостей // ФТТ. 2001. Т. 43, № 11. С. 2043-2047.
  13. Вашковский А. В., Локк Э. Г. Возникновение отрицательного коэффициента преломления при распространении поверхностной магнитостатической волны через границу раздела сред феррит - феррит-диэлектрик-металл // УФН. 2004. Т. 174, № 6. С. 657-662. doi: 10.3367/UFNr.0174.200406e.0657.
  14. Dewar G. Minimization of losses in a structure having a negative index of refraction // New J. Phys. 2005. Vol. 7. P. 161. doi: 10.1088/1367-2630/7/1/161.
  15. He Y., He P., Yoon S. D., Parimi P. V., Rachford F. J., Harris V. G., Vittoria C. Tunable negative index metamaterial using yttrium iron garnet // J. Magn. Magn. Mater. 2007. Vol. 313, no. 1. P. 187-191. doi: 10.1016/j.jmmm.2006.12.031.
  16. Zhao H., Zhou J., Zhao Q., Li B., Kang L., Bai Y. Magnetotunable left-handed material consisting of yttrium iron garnet slab and metallic wires // Appl. Phys. Lett. 2007. Vol. 91, no. 13. P. 131107. doi: 10.1063/1.2790500.
  17. Bi K., Zhou J., Zhao H., Liu X., Lan C. Tunable dual-band negative refractive index in ferrite-based metamaterials // Opt. Express. 2013. Vol. 21, no. 9. P. 10746-10752. doi: 10.1364/OE.21.010746.
  18. Rachford F. J., Armstead D. N., Harris V. G., Vittoria C. Simulations of ferrite-dielectric-wire composite negative index materials // Phys. Rev. Lett. 2007. Vol. 99, no. 5. P. 057202. doi: 10.1103/PhysRevLett.99.057202.
  19. Гуревич А. Г. Ферриты на сверхвысоких частотах. М.: Физматгиз, 1960. 407 с.
  20. Huang Y.-J., Wen G.-J., Li T.-Q., Li J. L.-W., Xie K. Design and characterization of tunable terahertz metamaterials with broad bandwidth and low loss // IEEE AWP Letters. 2012. Vol. 11. P. 264-267. doi: 10.1109/LAWP.2012.2189090.
  21. Гришин С. В., Амельченко М. Д., Шараевский Ю. П., Никитов С. А. Дважды отрицательные среды на основе антиферромагнитных метаматериалов для терагерцевого диапазона частот // Письма в ЖТФ. 2021. Т. 47, № 18. С. 32-35. doi: 10.21883/PJTF.2021.18.51470.18873.
  22. Евтихов М. Г., Никитов С. А. Метод полугрупп для вычисления спектров фотонных, фононных и магнонных кристаллов // Радиотехника и электроника. 2008. Т. 53, № 3. С. 261-275.
  23. Melkov G. A., Koblyanskiy Y. V., Slipets R. A., Talalaevskij A. V., Slavin A. N. Nonlinear interactions of spin waves with parametric pumping in permalloy metal films // Phys. Rev. B. 2009. Vol. 79, no. 13. P. 134411. doi: 10.1103/PhysRevB.79.134411.
  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. Kruglyak V. V., Demokritov S. O., Grundler D. Magnonics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264001. doi: 10.1088/0022-3727/43/26/264001.
  26. Serga A. A., Chumak A. V., Hillebrands B. YIG magnonics // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. P. 264002. doi: 10.1088/0022-3727/43/26/264002.
  27. Gubbiotti G., Tacchi S., Madami M., Carlotti G., Adeyeye A. O., Kostylev M. Brillouin light scattering studies of planar metallic magnonic crystals // J. Phys. D: Appl. Phys. 2010. Vol. 43, no. 26. Р. 264003. doi: 10.1088/0022-3727/43/26/264003.
  28. Yu H., Chen J., Cros V., Bortolotti P., Wang H., Guo C., Brandl F., Heimbach F., Han X., Anane A., Grundler D. Active ferromagnetic metasurface with topologically protected spin texture for spectral filters // Adv. Funct. Mater. 2022. Vol. 32, no. 34. P. 2203466. doi: 10.1002/adfm.202203466.
  29. Popov P. A., Sharaevskaya A. Y., Beginin E. N., Sadovnikov A. V., Stognij A. I., Kalyabin D. V., Nikitov S. A. Spin wave propagation in three-dimensional magnonic crystals and coupled structures // J. Magn. Magn. Mater. 2019. Vol. 476. P. 423-427. doi: 10.1016/j.jmmm.2018.12.008.
  30. 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.
  31. Zakeri K. Magnonic crystals: towards terahertz frequencies // J. Phys. Condens. Matter. 2020. Vol. 32, no. 36. P. 363001. doi: 10.1088/1361-648X/ab88f2.
  32. Wang Z. K., Zhang V. L., Lim H. S., Ng S. C., Kuok M. H., Jain S., Adeyeye A. O. Observation of frequency band gaps in a one-dimensional nanostructured magnonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2009. Vol. 94, no. 8. P. 083112. doi: 10.1063/1.3089839.
  33. Sokolovskyy M. L., Krawczyk M. The magnetostatic modes in planar one-dimensional magnonic crystals with nanoscale sizes // J. Nanopart. Res. 2011. Vol. 13, no. 11. P. 6085-6091. DOI: 10.1007/ s11051-011-0303-5.
  34. Zhang V. L., Lim H. S., Lin C. S., Wang Z. K., Ng S. C., Kuok M. H., Jain S., Adeyeye A. O., Cottam M. G. Ferromagnetic and antiferromagnetic spin-wave dispersions in a dipole-exchange coupled bi-component magnonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99, no. 14. P. 143118. doi: 10.1063/1.3647952.
  35. Duerr G., Madami M., Neusser S., Tacchi S., Gubbiotti G., Carlotti G., Grundler D. Spatial control of spin-wave modes in Ni80Fe20 antidot lattices by embedded Co nanodisks // Appl. Phys. Lett. 2011. Vol. 99, no. 20. P. 202502. doi: 10.1063/1.3662841.
  36. Tacchi S., Duerr G., Klos J. W., Madami M., Neusser S., Gubbiotti G., Carlotti G., Krawczyk M., Grundler D. Forbidden band gaps in the spin-wave spectrum of a two-dimensional bicomponent magnonic crystal // Phys. Rev. Lett. 2012. Vol. 109, no. 13. P. 137202. doi: 10.1103/PhysRevLett. 109.137202.
  37. Gubbiotti G., Tacchi S., Madami M., Carlotti G., Jain S., Adeyeye A. O., Kostylev M. P. Collective spin waves in a bicomponent two-dimensional magnonic crystal // Appl. Phys. Lett. 2012. Vol. 100, no. 16. P. 162407. doi: 10.1063/1.4704659.
  38. Zivieri R. Bandgaps and demagnetizing effects in a Py/Co magnonic crystal // IEEE Trans. Magn. 2014. Vol. 50, no. 11. P. 1100304. doi: 10.1109/TMAG.2014.2324174.
  39. Malago P., Giovannini L., Zivieri R., Gruszecki P., Krawczyk M. Spin-wave dynamics in permalloy/cobalt magnonic crystals in the presence of a nonmagnetic spacer // Phys. Rev. B. 2015. Vol. 92, no. 6. P. 064416. doi: 10.1103/PhysRevB.92.064416.
  40. Gubbiotti G., Tacchi S., Madami M., Carlotti G., Yang Z., Ding J., Adeyeye A. O., Kostylev M. Collective spin excitations in bicomponent magnonic crystals consisting of bilayer permalloy/Fe nanowires // Phys. Rev. B. 2016. Vol. 93, no. 18. P. 184411. doi: 10.1103/PhysRevB.93.184411.
  41. Высоцкий С. Л., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Новицкий Н. Н., Дудко Г. М., Стогний А. И., Филимонов Ю. А. Поверхностные магнитостатические волны в пленках железо-иттриевого граната с поверхностной субволновой метаструктурой из пленки пермаллоя // ФТТ. 2020. Т. 62, № 9 (91347). С. 1494-1498. doi: 10.21883/FTT.2020.09.49775.12H.
  42. Lazcano-Ortiz Z., Ordonez-Romero C. L., Domınguez-Juarez J. L., Monsivais G., Quintero-Torres R., Matatagui D., Fragoso-Mora J. R., Qureshi N., Kolokoltsev O. Magnonic crystal with strips of magnetic nanoparticles: Modeling and experimental realization via a dip-coating technique // Magnetochemistry. 2021. Vol. 7, no. 12. P. 155. doi: 10.3390/magnetochemistry 7120155.
  43. Львов В. С. Нелинейные спиновые волны. М.: Наука, 1987. 272 с.
  44. Устинов А. Б., Григорьева Н.Ю., Калиникос Б. А. Наблюдение солитонов огибающей спиновых волн в периодических магнитных пленочных структурах // Письма в ЖЭТФ. 2008. Т. 88, № 1. С. 34-39.
  45. Дроздовский А. В., Черкасский М. А., Устинов А. Б., Ковшиков Н. Г., Калиникос Б. А. Образование солитонов огибающей при распространении спин-волновых пакетов в тонкопленочных магнонных кристаллах // Письма в ЖЭТФ. 2010. Т. 91, № 1. С. 17-22.
  46. Sheshukova S. E., Morozova M. A., Beginin E. N., Sharaevskii Y. P., Nikitov S. A. Formation of gap solitons in a finite magnonic crystal // Phys. Wave Phen. 2013. Vol. 21, no. 4. P. 304-309. doi: 10.3103/S1541308X13040134.
  47. Grishin S. V., Moskalenko O. I., Pavlov A. N., Romanenko D. V., Sadovnikov A. V., Sharaevskii Y. P., Sysoev I. V., Medvedeva T. M., Seleznev E. P., Nikitov S. A. Space-quasiperiodic and time-chaotic parametric patterns in a magnonic quasicrystal active ring resonator // Phys. Rev. Appl. 2021. Vol. 16, no. 5. P. 054029. doi: 10.1103/PhysRevApplied.16.054029.
  48. Кившарь Ю. С., Агравал Г. П. Оптические солитоны. От волоконных световодов к фотонным кристаллам. М.: Физматлит, 2005. 648 с.
  49. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Наука, 1994. 464 с.
  50. Медников А. М. Нелинейные эффекты при распространении поверхностных спиновых волн в пленках ЖИГ // ФТТ. 1981. Т. 23, № 1. С. 242-245.
  51. Темирязев А. Г. Механизм преобразования частоты поверхностной магнитостатической волны в условиях трехмагнонного распада // ФТТ. 1987. Т. 29, № 2. С. 313-319.
  52. Мелков Г. А., Шолом С. В. Параметрическое возбуждение спиновых волн поверхностной магнитостатической волной // ЖЭТФ. 1989. Т. 96, № 2(8). С. 712-719.
  53. Вашковский А. В., Стальмахов В. С., Шараевский Ю. П. Магнитостатические волны в электронике сверхвысоких частот. Саратов: Издательство Саратовского университета, 1993. 312 с.
  54. Кожевников А. В., Дудко Г. М., Хивинцев Ю. В., Сахаров В. К., Высоцкий С. Л., Никулин Ю. В., Павлов Е. С., Хитун А. Г., Филимонов Ю. А. Влияние направления магнитного поля на спектр выходных сигналов спиновых волн при трехмагнонном распаде поверхностных магнитостатических волн в кресте на основе волноводов из пленки железо-иттриевого граната // Известия вузов. ПНД. 2020. Т. 28, № 2. С. 168-185. doi: 10.18500/0869-6632-2020- 28-2-168-185.
  55. Dewar G. Applicability of ferrimagnetic hosts to nanostructured negative index of refraction (lefthanded) materials // In: Proc. SPIE. Vol. 4806. Complex Mediums III: Beyond Linear Isotropic Dielectrics, 24 June 2002, Seattle, WA, United States. Washington, US: SPIE, 2002. P. 156-166. doi: 10.1117/12.472980.
  56. Амельченко М. Д., Гришин С. В., Шараевский Ю. П. Быстрые и медленные электромагнитные волны в продольно намагниченном тонкопленочном ферромагнитном метаматериале // Письма в ЖТФ. 2019. Т. 45, № 23. С. 14-18. doi: 10.21883/PJTF.2019.23.48712.17830.
  57. Sharaevskaya A. Y., Kalyabin D. V., Beginin E. N., Fetisov Y. K., Nikitov S. A. Surface spin waves in coupled easy-axis antiferromagnetic films // J. Magn. Magn. Mater. 2019. Vol. 475. P. 778-781. doi: 10.1016/j.jmmm.2018.11.130.
  58. Belov P. A., Marques R., Maslovski S. I., Nefedov I. S., Silveirinha M., Simovski C. R., Tretyakov S. A. Strong spatial dispersion in wire media in the very large wavelength limit // Phys. Rev. B. 2003. Vol. 67, no. 11. P. 113103. doi: 10.1103/PhysRevB.67.113103.
  59. High Frequency Magnetics Software [Electronic resource]. Devon, UK: MaxLLG, Innovation Centre, University of Exeter, 2019. Available from: https://www.maxllg.com.
  60. Aziz M. M. Sub-nanosecond electromagnetic-micromagnetic dynamic simulations using the finite difference time-domain method // Progress In Electromagnetics Research B. 2009. Vol. 15, no. 15. P. 1-29. doi: 10.2528/PIERB09042304.
  61. Садовников А. В., Рожнев А. Г. Моделирование распространения магнитостатических волн в одномерных магнонных кристаллах // Известия вузов. ПНД. 2012. Т. 20, № 1. С. 143-159. doi: 10.18500/0869-6632-2012-20-1-143-159.
  62. Vansteenkiste A., Leliaert J., Dvornik M., Helsen M., Garcia-Sanchez F., Van Waeyenberge B. The design and verification of MuMax3 // AIP Advances. 2014. Vol. 4, no. 10. P. 107133. doi: 10.1063/1.4899186.

This website uses cookies

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

About Cookies