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. В настоящее время активно исследуется взаимное влияние тока в полупроводниках и спиновых волнах в ферромагнитных пленках с целью интеграции спин-волновых компонентов в полупроводниковые устройства. Ранее было показано, что электрический ток в полупроводнике может усиливать или ослаблять спиновые волны. Исследование нелинейных эффектов в ферромагнитных структурах, в частности, формирование солитонов является актуальной задачей в приложениях магнонных устройств для кодирования и передачи информации. Использование суперрешеток – структур с двумя и более пространственными периодами, является еще одним способом для расширения возможностей магнонных устройств обработки сигналов. В магнонике в настоящее время суперрешетки привлекают большое внимание исследователей. Основными нелинейными эффектами в магнонных кристаллах с одним периодом, исследованными к настоящему времени, являются трех-магнонные процессы распада, вызываемые развитием параметрической неустойчивости, и четырех-магнонные процессы распада, связанные с изменением продольной компоненты намагниченности при увеличении мощности входного сигнала. В первом случае нелинейность приводит к изменению свойств запрещенных зон, во втором – нелинейному сдвигу запрещенных зон. Для экспериментального исследования распространения спиновых волн в настоящее время широко используется метод, основанный на Бриллюэновском рассеянии света. Данный метод позволяет изучать распределение интенсивности спиновой волны в плоскости структуры. 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 проводилась по 2 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 Проведенные теоретические, численные и экспериментальные исследования показали возможность использования разработанных периодических структур на основе брэгговских решеток, магнонных кристаллов, магнонных сверхрешеток, а также применение к магнонным кристаллам различных методов управления – локального лазерного нагрева, приложения деформаций пьезоэлектрическим слоем для создания устройств обработки информационных сигналов в СВЧ диапазоне. На основе системы связанных ферримагнитных магнитных пленок с металлизацией показано влияние металлизированного слоя на прохождение спиновых волн при разной ориентации внешнего магнитного поля. На основе полученных результатов получен экспериментальный макет частотно-селективного устройства, управляемого внешним магнитным полем. С помощью микромагнитного моделирования и метода Мандельштам-Бриллюэновской спектроскопии рассеяния света показана возможность передачи спи-волнового сигнала в трехмерной системе в вертикальном направлении за счет связи микроволноводов. На основе полученной структуры показана возможность создания устройства демультиплексирования СВЧ сигнала. 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 структуры с нарушением трансляционной симметрии и с локализованной областью с пониженной намагниченностью, индуцированной лазерным нагревом на поверхности волновода. На основе полученных результатов разработан макет частотно-селективного устройства на спиновых волнах. Методами микроволновой спектроскопии и микромагнитного моделирования были изучены собственные моды ферримагнитного резонатора, который исследовался как отдельно, так и в составе системы микроволноводов с линейно изменяющимися ширинами. Как было показано, резонатор может использоваться как фильтрующее устройство на частотах, сопоставимых с внутренними резонансами. На основе трехмерной структуры из пермаллоя возможно создание устройства фильтрации на частотах брэгговских резонансов, число которых в системе зависит от геометрических параметров, таких как толщина сегментов трехмерного магнонного кристалла и размер периода повторения магнонного кристалла. Для системы связанных магнонных микроволноводов как в вертикальном, так и в горизонтальном направлении микромагнитным и численным методами была исследована структура из многомерной решетки микроволноводов с двумя источниками. Показано, что при изменении фазы сигнала на источниках можно перенастраивать направление распространения волн, таким образом данная структура может быть применима для создания ответвителя СВЧ сигнала. Показано, что в ферромагнитной пленке существует переходный слой между слоем ферромагнетика и подложкой (YIG/GGG), который выступает источником обменных спиновых волн (ОСВ). Показано, что возникающие ОСВ могут быть применимы для диагностики распределение намагниченности по толщине ферритовой пленки. Данная структура может быть применима для создания функциональных СВЧ устройств на основе обменных спиновых волн. На основе структуры магнонный кристалл (с периодической системой канавок) – полупроводник был выявлен эффект «нелинейного переключения», при котором периодическая структура начинает передавать мощный сигнал на частотах, лежащих в пределах запрещенной зоны. При этом система демонстрирует свойства бистабильности и гистерезиса при увеличении мощности входного сигнала. Было показано, что резонансные эффекты СВЧ- и субтерагерцового диапазонов в метаматериалах на основе брэгговских структур, обусловленные особенностями их интерфейса, могут быть усилены и управляемы с помощью буферного элемента, вводимого между фотонным кристаллом и интерфейсом. При этом резко повышается чувствительность таммовского резонанса к характеристикам контактирующего слоя. В качестве буферного элемента могут быть использованы дополнительные слои фотонного кристалла. Проведены исследования процессов распространения СВ в системах на основе двух связанных бикомпонентных магнитных микроволноводов двух типов: c идентичными и инвертированными волноводами. Проведен расчет дисперсионных и передаточных характеристик СВ при условии возбуждения сторонними динамическими магнитными полями только одного волновода. Показано, что в микроволноводе с возбуждением в системах обоих типов существуют области частот, в которых СВ имеют различный характер распространения: однонаправленный, невзаимный и взаимный. Проведена классификация СВ по характеру пространственного распределения высокочастотной намагниченности при различных режимах распространения. Получены передаточные характеристики СВ при различных режимах распространения. В волноводах без возбуждения дисперсионные и передаточные характеристики существенно различаются в случае идентичных и инвертированных микроволноводов. В случае идентичных волноводов также существует режим однонаправленного распространения СВ. В случае инвертированного волновода реализуется только режим взаимного распространения СВ. 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.