Ансамбли микро- и наноструктурированных метаповерхностей для систем параллельной обработки информационных сигналов

Одна из альтернативных концепций по преодолению принципиальных ограничений электроники лежит в области магноники, основной принцип которой заключается в использовании спиновых волн или магнонов вместо электронов в качестве носителей информации. Существенным ограничением устройств на принципах магноники, управляемых магнитных полем является то, что такие устройства сравнительно медленнее и требуют больше энергозатрат, по сравнению с электрически управляемыми устройствами. Возможность использования двойного способа управления (электрического и магнитного), в частности, при добавлении слоев из пьезоэлектрического материала, позволяет существенно расширить функциональные возможности и улучшить характеристики устройств магноники. Использование, в свою очередь, магнитных материалов с периодически изменяющимися параметрами (магнонных кристаллов), отрывает большие перспективы в связи наличием в спектре спиновых волн в таких структурах запрещенных зон (полос непропускания). Ввиду этого в настоящее время большой интерес представляет проведение исследований линейного и нелинейного режимов распространения спин-волновых паттернов в латеральных ансамблях микроструктурированных метаповерхностей на основе тонких ферромагнитных плёнок. Цель проекта заключается в проведении научных исследований, направленных на развитие микроволновых и терагерцовых технологий на основе периодических магнонных и электродинамических брэгговских структур, слоистых СВЧ структур с брэгговскими зеркалами, обеспечивающих возможность создания новых типов малогабаритных радиационностойких фильтров в микроволновом и терагерцовом диапазонах. Исследования направлены на разработку новых магнонных, электродинамических и акустоэлектронных элементов СВЧ диапазона (высокодобротных резонаторов и многоканальных линий задержки) для создания устройств обработки информационного сигнала и продвижения систем радиочастотной идентификации в более высокочастотные диапазоны (до 30 ГГц). Работа проводится по 3 основным связанным и взаимодополняющим друг друга направлениям: 1. Исследование режимов управления характеристиками спин-волнового сигнала с помощью электрического и магнитного поля в ансамблях микро- и наноструктурированных магнонных метаповерхностей на основе неидентичных магнонно-кристаллических микроволноводов, двуслойных структур феррит-пьезоэлектрик, структур с нарушением трансляционной симметрии. 2. Исследование электродинамических характеристик сверхвысокочастотных коаксиальных брэгговских структур с периодически чередующимся диэлектрическим заполнением, выполненные в виде разупорядоченных брэгговских решеток с различным числом ячеек. 3. Разработка концепции построения системы радиочастотной идентификации на частотах 6-30 ГГц на основе частотного кодирования с использованием радиочастотных идентификационных меток на основе резонаторов на объемных акустических волнах с высокой добротностью. В рамках выполнения первого этапа НИР в 2020 году были получены следующие основные результаты: 1. Методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии и методом микромагнитного моделирования были исследованы режимы управления дипольной связью в латеральной системе неидентичных магнонно-кристаллических микроволноводов. Выявлены режимы пространственной и частотной селекции спин-волнового сигнала на частотах вблизи частоты зоны непропускания магнонного кристалла. 2. Разработан макет однонаправленного делителя мощности на основе системы неидентичных магнонных кристаллов. С помощью численных и экспериментальных исследований продемонстрирована возможность управления дипольной спин-волновой связью в латеральном массиве ферромагнитных полосок с помощью локальных деформаций. Выявлены механизмы управления дипольной связью спиновых волн путем создания упругих деформаций, локализованных в области максимумов напряженности электрического поля. Продемонстрировано эффективное управление спин-волновой связью при изменении зазора между магнитными полосками и выявлены механизмы формирования волноведущих каналов с помощью локальных упругих деформаций для распространяющихся спин-волновых краевых мод. 3. Методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии с послойной визуализацией стационарного пространственного распределения динамической намагниченности продемонстрирована возможность передачи углового крутильного момента в латеральном и вертикальном направлении и пространственно-частотной селекции спин-волнового сигнала. Предложен и исследован вариант реализации межуровневого спин-волнового транспорта между параллельными слоями магнонной сети на основе ортогонально сочлененных магнитных микроволноводов. С помощью численных и экспериментальных исследований выявлены особенности передачи спин-волнового сигнала ортогонально сочлененных волноведущих секций. 4. Выполнено компьютерное моделирование и экспериментальное исследование амплитудно-частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения одномерных СВЧ коаксиальных брэгговских структур (КБС) без нарушения и с нарушением периодичности брэгговской структуры. Расчет коэффициентов отражения и прохождения в СВЧ-диапазоне выполнен с использованием метода матрицы передачи. 5. Разработана и создана измерительная секция в виде разборного отрезка коаксиальной линии передачи, внутри которого формируется одномерная двухкомпонентная симметричная относительно центрального слоя КБС. 6. Установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что сверхвысокочастотные коаксиальные брэгговские структуры с периодически чередующимся диэлектрическим заполнением, выполненные в виде разупорядоченных брэгговских решеток с различным числом ячеек, характеризуются дополнительными наборами разрешенных и запрещенных зон и обеспечивают возможность создания новых типов малогабаритных радиационностойких фильтров пропускания и заграждения в микроволновом и терагерцовом диапазонах. Предложена и реализована методика измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь ряда диэлектриков с использованием КБС, основанная на решении обратной задачи при использовании измеренных частотных зависимостей коэффициента пропускания и отражения на частоте дефектной моды в запрещенной зоне. Обнаружено возникновение таммовских резонансов в одномерном СВЧ фотонном кристалле, граничащем с металлическим нанослоем или с нанослоем на основе массива упорядоченных нанометровых металлических элементов. 7. Разработана концепция построения системы радиочастотной идентификации на частотах 6-30 ГГц на основе частотного кодирования с использованием радиочастотных идентификационных меток на основе резонаторов на объемных акустических волнах с высокой добротностью. Проведена разработка и оптимизация конструкции акустоэлектронного резонатора FBAR для радиочастотной идентификационной метки в диапазоне частот 10–13 ГГц. Получена зависимость толщины верхнего электрода от необходимой резонансной частоты резонатора FBAR. Разработана конструкция радиочастотной идентификационной метки в диапазоне частот 10–23.2 ГГц для системы с 5 852 925 кодами. Показана реальная техническая возможность создания системы радиочастотной идентификации в полосе частот 6–30 ГГц с резонаторами FBAR с условной антиколлизионной защитой с числом кодов 1 048 576 при одновременном распознавании до 32 кодов. 8. Подготовлены и опубликованы научные статьи в зарубежных журналах и в рекомендованных Президиумом Высшей аттестационной комиссией ведущих рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук. 9. Подготовлен и оформлен отчет о выполнении НИР. Проведенные теоретические, численные и экспериментальные исследования показали возможность использования разработанных периодических структур на основе брэгговских решеток, магнонных кристаллов и систем когерентного возбуждения акустических волн для создания устройств обработки информационных сигналов в СВЧ диапазоне. Методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии с послойной визуализацией стационарного пространственного распределения динамической намагниченности и с помощью модифицированного метода микромагнитного моделирования показана возможность управления межмодовой связью спиновых волн, распространяющихся в магнонных кристаллах (МК) вблизи границы частоты зоны непропускания. На основе результатов микромагнитного моделирования определен механизм, сопровождающий наблюдаемый режим межмодовой связи в латеральной системе неидентичных МК, и проведено исследование режимов пространственно-частотного разделения сигнала. Показано, что управляемый электрическим напряжением спин-волновой транспорт может быть реализован в структурированных бислоях феррит-пьезоэлектрик. При этом формирование электродов на поверхности пьезослоя позволяет создавать упругие деформации в области сформированной текстурой пленки феррита неоднородности внутреннего магнитного. На созданном макете показана реализация режима управляемого напряжением спин-волновой транспорта вдоль латеральной структуры, состоящей из двух спин-волноводных каналов. Эффективная перестройка спин-волновых характеристик с помощью электрического поля обусловлена деформацией пьезослоя и эффектом магнитострикции в магнонных микроволноводах. Показано, что механизм формирования волноведущих каналов для распространяющихся спин-волновых краевых мод заключается в управляемой упругими деформациями величине градиента внутреннего магнитного поля в области вблизи зазора между латеральными структурами. Подобный механизм передачи спин-волнового сигнала может найти применение для создание трехмерных топологий магнонных сетей. Полученные результаты демонстрируют возможность создания демультиплексора, направленного ответвителя и делителя СВЧ сигнала основе латеральной системы неидентичных магнонно-кристаллических структур. На основе математического моделирования и экспериментального исследования показано, что использование клиновиндного ультразвукового преобразователя с фазированной решеткой пьезопреобразователей позволяет эффективно и селективно возбуждать волну И. Анисимкина в изотропных пластинах. для создания системы радиочастотной идентификации в коротковолновой части сантиметрового диапазона с акустоэлектронными резонаторами типа FBAR с неограниченной антиколлизией в диапазоне частот 10-23.2 ГГц. На основе разработанной математической модели взаимодействия электромагнитного излучения СВЧ-диапазона с одномерными коаксиальными брэгговскими структурами разработан метод компьютерного моделирования и экспериментального исследования амплитудно-частотных характеристик коэффициентов отражения и прохождения одномерных КБС с нарушением периодичности брэгговской структуры. Показано, что в случае, когда электрические длины каждого из отрезков симметричной относительно центрального слоя КБС, равны друг другу, число резонансов, формирующих разрешенные зоны ненарушенных КБС, равно общему числу отрезков КБС. Обосновано теоретически и подтверждено экспериментально, что частотное положение дефектной моды в запрещенной зоне КБС с периодически чередующимся диэлектрическим заполнением определяется электрофизическими параметрами слоя, нарушающего периодичность, такими как толщина и диэлектрическая проницаемость. В случае, когда электрические длины структурных единиц не совпадают, но при этом кратны друг другу, в спектре прохождения возникают дополнительные наборы запрещенных зон и разрешенных зон с количеством резонансов неравным общему числу отрезков КБС, что может быть использовано при проектировании радиационно-стойких фильтров пропускания и заграждения в микроволновом и терагерцовом диапазонах. Учитывая перспективность полученных результатов, а также важное значение потенциально возможного практического применения разрабатываемой элементной базы на основе магнонных, брэгговских и акустических структур, можно ожидать достаточно широкую целевую группу потребителей результатов проекта. Результаты работы, приведенные в отчете о выполненной работе, включают в себя описание полученных теоретических, численных и экспериментальных результатов, разработанных методов численного моделирования, а также перечень публикаций в зарубежных журналах или в рекомендованных Президиумом Высшей аттестационной комиссией ведущих рецензируемых научных журналах, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертации на соискание ученой степени доктора и кандидата наук, подготовленных по результатам работы. Уровень полученных результатов оценивается как соответствующий мировому.