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

Изучение электрических способов управления свойствами спиновых волн является актуальной задачей микроволновой электроники, поскольку электрическое управление обычно является более энергоэффективным и быстрым по сравнению с магнитным. 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, интерферометров спиновых волн и магнонных суперрешеток. 2. Исследование электродинамических характеристик сверхвысокочастотных брэгговских структур с периодически чередующимся диэлектрическим заполнением, выполненные в виде разупорядоченных брэгговских решеток с различным числом ячеек. Компьютерное моделирование и экспериментальное исследование управляемых таммовских резонансов в одномерном СВЧ фотонном кристалле с целью разработки метода измерения параметров сильнолегированных слоёв полупроводниковых структур в СВЧ-диапазоне 3. Разработка концепции построения системы быстрого неинвазивного измерения и проведения локальной количественной оценки кровенаполнения и жизнеспособности участков биотканей портативным емкостным датчиком. За второй год выполнения НИР были проведены теоретические исследования, созданы макеты волноведущих структур на основе брэгговских решеток, магнонных кристаллов и структур с нарушением трансляционной симметрии, разработаны методы численного моделирования на основе микромагнитного, конечно-элементного метода, теории связанных волн. Проведенные теоретические, численные и экспериментальные исследования показали возможность использования разработанных периодических структур на основе брэгговских решеток, магнонных кристаллов и магнонных сверхрешеток для создания устройств обработки информационных сигналов в СВЧ диапазоне. Методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии с фазовой чувствительностью и с послойной визуализацией стационарного пространственного распределения динамической намагниченности и с помощью модифицированного метода микромагнитного моделирования показана возможность управления связью спиновых волн, распространяющихся вдоль магнонного волновода с локализованной областью с пониженной намагниченностью, индуцированной лазерным нагревом на поверхности волновода. На основе полученных результатов разработан макет частотно-селективного устройства на спиновых волнах. С помощью микромагнитного моделирования и экспериментального исследования распространения и взаимодействия спиновых волн в схеме интерферометра Маха-Цендера было показано, что использование пьезоэлектрической пластины с раздельными электродами, подключенными к каждой ветви интерферометра, приводит к перестраиваемой интерференции спин-волнового сигнала на выходном участке. При этом многомодовый режим распространения спиновых волн сохраняется при уменьшении размеров до наномасштабов. На основе созданной магнонной структуры с пьезоэлектрическим слоем и структурированными электродами на его поверхности методом лазерной абляции с пространственным разрешением для структурирования пьезоэлектрического слоя показано, что с помощью эффектов стрейнтроники оказывается возможным индуцировать волноведущий канал для спин-волновых краевых мод и управлять их характеристиками. На основе разработанной структуры показана возможность создания систем демультиплексирования с частотно-пространственной селективностью, управляемых одновременно электрическим и магнитным полем. На основе двуслойного магнонного волновода создан элемент межсоединия для топологий магнонных сетей с поддержкой многодиапазонных режимов работы. Методом Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии показано, что сужение полосы приводит к сильному изменению эффекта невзаимности для отдельных мод в спектрах спиновых волн. В то же время этот процесс сопровождается сильной невзаимностью в поведении спиновых волн в зависимости от направления распространения спиновых волн и подмагничивающего магнитного поляю. Были рассмотрены три типа конструкции L-образного планарного магнонного волновода с различным типом соединения: прямоугольное соединение, диагональное соединение под углом 45 градусов и скругленное соединение. Показано, что в такой геометрии наблюдается преобразование типов спиновых волн, при этом на выходе волновода возможна детекция высших ширинных мод, которая зависит от частоты возбуждения спиновых волн на входе. В то же время изменение ширины магнонных волноводов позволяет изменять длину спиновой волны на выходе. Показано, что с использованием частотных зависимостей коэффициентов отражения и прохождения на частотах в окрестности микроволнового таммовского резонанса, управляемого с помощью изменения толщины слоя фотонного кристалла, можно реализовать методику измерения удельной электропроводности сильнолегированного слоя полупроводниковой GaAs структуры. В основу метода измерения положено решение обратной задачи, основанное на сравнении экспериментальных и расчетных частотных зависимостей коэффициента пропускания и отражения на частоте микроволнового фотонного таммовского резонанса. Учитывая перспективность полученных результатов, а также важное значение потенциально возможного практического применения разрабатываемой элементной базы на основе магнонных и брэгговских 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.