Обработка информационных сигналов на основе управляемого спин-волнового транспорта в многоуровневых реконфигурируемых магнонных сетях на принципах нелинейной магнонной стрейнтроники и спин-фотоники

В рамках второго года проекта были рассмотрены и решены задачи разработки схем прототипов магнонных устройств в виде структур изготовленных методом лазерной прецизионной резки на пленках железо-иттриевого граната. Созданы и протестированы системы связанных магнитных микроволноводов различной конфигурации, устройства фильтрации спиновых волн в гофрированном волноводе, резонаторные системы типа Фабри-Перо и Фано и магнонные структуры с кольцевым резонатором на основе пленок железо-иттриевого граната на подложках галлий гадоллиниевого граната, проведено исследование невзаимного распространения спиновых волн в интерферометре Маха-Цендера, выполнены расчеты по возможности реализации спин-волнового диодного режима распространения сигнала. Таким образом выполнен весь объем запланированных задач и создан огромный сфокусированный задел для нового проекта на сложившуюся за 5 лет сквозных выполнения текущего проекта научную команду. Результаты исследований в области спиновых волн и магнонных структур, представленные в проекте, обретают практическую реализацию через интеграцию с промышленными партнёрами, например предприятиями электронной промышленности г. Саратова, что возможно приведет к переходу от лабораторных разработок, полученных в настоящем проекте, к серийному производству устройств нового поколения. Научные заделы, сформированные в ходе проекта, включают создание управляемых магнонных фильтров, делителей и мультиплексоров, обладающих уникальными характеристиками: широкополосность, высокий коэффициент ответвления, миниатюрные размеры и экстремальное подавление помех, что делает их востребованными в системах связи нового поколения, космической электронике и оборонной промышленности. В отчетном периоде были выполнены комплексные исследования по разработке и изучению новых типов магнонных устройств на основе структур железо-иттриевого граната (ЖИГ). Основное внимание уделялось исследованию механизмов управления распространением спиновых волн в различных конфигурациях магнонных систем. Проведены экспериментальные и численные исследования направленного ответвления и фильтрации спиновых волн в Т-образном гофрированном магнонном микроволноводе. С помощью лазерной резки пленка ЖИГ была структурирована для формирования интегрированной резонаторной системы, включающей секции гофрированной волноведущей системы. Используя методы мандельштамбриллюэновской спектроскопии и микромагнитного моделирования, было показано, что резонаторный элемент вызывает интерференцию типа Фабри-Перо, приводящую к многомодовому распространению спиновых волн и селективной передаче энергии между различными секциями. Установлено, что режимы направленного ответвления спиновых волн связаны с пересечением дисперсионных характеристик прямой и обратной волн для первой и третьей мод. Исследованы эффекты невзаимного распространения спиновых волн в резонаторных системах типа Фабри-Перо на основе двухслойных пленок ЖИГ с различной намагниченностью насыщения. Показано, что добавление резонаторного элемента формирует резонансы ФабриПеро в высокочастотном спектре для первого слоя и низкочастотном для второго слоя. Поворот внешнего магнитного поля меняет низкочастотный спектр для второго слоя. Рассмотрена система с кольцевыми резонаторами (2-3 шт.), где локальный лазерный нагрев эффективно ответвляет спин-волновой сигнал. Кольцевые резонаторы шириной 500 мкм располагались между прямоугольными волноводами. Нагрев на 20°C уменьшал намагниченность на 5%. АЧХ показали, что основная мощность выходит через порт P1, но вблизи частоты 5.1 ГГц сигналы на портах P2-P4 выравниваются. Исследована структура из интерферометра МахаЦендера и поперечно ограниченного магнитного волновода на основе пленки ЖИГ толщиной 10 мкм. Микромагнитное моделирование показало возможность пространственно-частотного управления спин-волновыми сигналами. Неоднородность внутреннего магнитного поля вызывает различие фазовых скоростей в плечах интерферометра и частичное ответвление сигнала. Спектральный анализ подтвердил пространственно-частотную селекцию, позволяющую реализовать логические операции. Разработан двуслойный интерферометр Маха-Цендера с различной намагниченностью слоев. При внешних полях 1200-1400 Э показано невзаимное распространение спиновых волн в верхнем и нижнем слоях. Различия в намагниченности обеспечивают распространение волн в разных частотных диапазонах, что позволяет управлять маршрутизацией сигнала. Показана возможность реализации спин-волнового диодного режима в двухслойных магнитных системах на основе ЖИГ. При поперечной ориентации внешнего магнитного поля возникают два частотных диапазона с однонаправленным распространением спиновых волн. Гибридизация высокочастотных и низкочастотных мод формирует уникальные дисперсионные характеристики. Экспериментально подтвержден режим "спин-волнового диода", обеспечивающий одномодовое или многомодовое перенаправление энергии в зависимости от параметров волновода и ориентации поля. Выявлена возможность создания компактных устройств с минимальными потерями сигнала за счет отсутствия омических потерь. Результаты исследований были представлены на нескольких международных и всероссийских конференциях.