radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-6-54-63radioelectronics-817Research ArticleЭЛЕКТРОНИКА СВЧMICROWAVE ELECTRONICSИсследование нелинейного логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ" на основе наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волнInvestigation of a Nonlinear XNOR Logic Gate Based on an Induced Nonlinear Phase Shift of Spin Waveshttps://orcid.org/0000-0002-8764-7100ГапончикР. В.HaponchykR. V.

Гапончик Роман Валерьевич – аспирант 4-го года по направлению "Радиофизика". Сфера научных интересов – магноника; радиофотоника; нелинейные волновые процессы.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Roman V. Haponchyk, Postgraduate student of the Department of Physical Electronics and Technologies. Area of expertise: microwave photonics; nonlinear dynamics; spin waves.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

ferumno33@gmail.comhttps://orcid.org/0000-0001-6320-9352ТаценкоИ. Ю.TatsenkoI. Yu.

Таценко Иван Юрьевич – аспирант 4-го года по направлению "Радиофизика". Сфера научных интересов – радиофотоника; оптоэлектронные генераторы СВЧ.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Ivan Yu. Tatsenko, Postgraduate student of the Department of Physical Electronics and Technologies. Area of expertise: microwave photonics; optoelectronic oscillators.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

abitur.tatsenko@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0001-8743-7528ВитькоВ. В.VitkoV. V.

Витько Виталий Валерьевич – кандидат физико-математических наук (2017), доцент (2020) кафедры физической электроники и технологии. Автор более 30 научных работ. Сфера научных интересов – линейные и нелинейные волновые процессы для применения в радиофотонике.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Vitalii V. Vitko, Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2017), Associate Professor (2020) of the Department of Physical Electronics and Technologies. The author of more than 30 scientific publications. Area of expertise: linear and nonlinear wave dynamics for application in microwave photonics.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

vitaliy.vitko@gmail.comСташкевичА. А.StashkevichA. A.

Сташкевич Андрей Александрович – доктор физико-математических наук (1995), заслуженный профессор Галилеевского института (Institut Galilée) Университета Сорбонна Париж Север (Лаборатория физико-химических свойств материалов LSPM). Автор более 100 научных публикаций. Сфера научных интересов – спинтроника; магноника; мандельштам-бриллюэновская спектроскопия; радиофотоника.

Лаборатория физико-химических свойств материалов, LSPM – CNRS UPR3407, Ж. Б. Клемана авеню, д. 99, Вилльтанёз, 93 430

Andrey A. Stashkevich, Dr Sci. (Phys-Math.) (1994), Emeritus Professor (2020) of Physics, Institut Galilee, Université Sorbonne Paris Nord. The author of more than 100 scientific publications. Area of expertise: spintronics; magnonics; Brillouin spectroscopy; radiophotonics.

Laboratoire des Sciences des Procedes et des Materiaux- LSPM – CNRS UPR3407, 99, J. B. Clement Ave., Villetaneuse 93 430

stachkevitch@univ-paris13.frhttps://orcid.org/0000-0002-0621-8196ГотоТ.GotoT.

Таичи Гото – доктор философии в инженерии (2011), доцент (2022) Института электросвязи Университета Тохоку. Автор более 60 научных работ. Сфера научных интересов – магнонная логика; физика твердого тела; магнитооптика.

2-1-1 Катахира, Аоба-ку, Сендай, 980-8577, префектура Мияги

Taichi Goto, Dr Sci. (Eng.) (2011), Associate Professor (2022) at the Institute of Electrical Communication, Tohoku University. The author of more than 60 scientific publications. Area of expertise: magnonics logic; solid state physics; magnetooptics.

2-1-1, Katahira, Aoba-ku, Sendai 980-8577, Miyagi Prefecture

taichi.goto.a6@tohoku.ac.jphttps://orcid.org/0000-0002-7382-9210УстиновА. Б.UstinovA. B.

Устинов Алексей Борисович – доктор физико-математических наук (2012), доцент (2010) кафедры физической электроники и технологии. Автор более 200 научных работ. Сфера научных интересов – линейные и нелинейные колебания и волны в магнитных пленках и слоистых структурах; СВЧ-электроника; радиофотоника.

ул. Профессора Попова, д. 5 Ф, Санкт-Петербург, 197022

Alexey B. Ustinov, Dr Sci. (Phys.-Math.) (2012), Associate Professor (2010) of the Department of Physical Electronics and Technologies. The author of more than 200 scientific publications. Area of expertise: linear and non-linear properties of magnetic oscillations and waves in ferromagnetic films and layered structures on their basis; microwave devices; microwave photonics.

5 F, Professor Popov St., St Petersburg 197022

ustinov_rus@yahoo.comСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian FederationУниверситет Сорбонна Париж СеверФранцияUniversité Sorbonne Paris NordFranceУниверситет ТохокуЯпонияTohoku UniversityJapanСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical UniversityRussian Federation2023271220232665463Copyright © Гапончик Р.В., Таценко И.Ю., Витько В.В., Сташкевич А.А., Гото Т., Устинов А.Б., 20232023Гапончик Р.В., Таценко И.Ю., Витько В.В., Сташкевич А.А., Гото Т., Устинов А.Б.Haponchyk R.V., Tatsenko I.Y., Vitko V.V., Stashkevich A.A., Goto T., Ustinov A.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/817Введение

Введение. В последние годы наблюдается рост интереса к исследованию нелинейных свойств спиновых волн. Были исследованы такие нелинейные явления, как солитоны огибающей, нелинейный сдвиг собственных частот интенсивных спиновых волн и многие др. Однако ряд важных вопросов остается неизученным. Сюда можно отнести задачу исследования наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн. Интерес к такому исследованию обусловлен необходимостью разработки спин-волновых логических элементов, управление которыми происходило бы с помощью изменения фазы рабочей спиновой волны.

Цель работы

Цель работы. Исследование нелинейного логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ", в основе работы которого лежит эффект наведенного нелинейного сдвига фазы рабочей спиновой волны.

Материалы и методы

Материалы и методы. С помощью оригинальной теории проводится моделирование амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ". Обосновывается принцип его работы. С помощью векторного анализатора цепей экспериментально показывается возможность реализации логической функции "исключающее ИЛИ-НЕ" в схеме по типу спин-волнового интерферометра Маха–Цендера.

Результаты

Результаты. Проведено экспериментальное исследование наведенного нелинейного сдвига фазы рабочих сигналов, падающих на идентичные нелинейные спин-волновые фазовращатели (НФВ), расположенные в плечах логического элемента. Показано, что с ростом мощности сигнала накачки до 60 мВт, подающегося на нелинейные фазовращатели, происходит наведенный нелинейный сдвиг фазы рабочего сигнала более, чем на 180°, что обусловливает возможность использования НФВ для построения спин-волновых логических элементов. Также экспериментально исследован принцип действия спин-волнового логического элемента. Показано, что в низкочастотной области АЧХ устройства реализуется логическая функция "исключающее ИЛИ-НЕ".

Заключение

Заключение. Проведено численное моделирование характеристик спин-волнового логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ", построенного по схеме интерферометра Маха–Цендера. Показано, что логические функции выполняются за счет эффекта наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн в нелинейных фазовращателях, расположенных в разных плечах логического элемента.

Introduction

Introduction. Recent years have seen a growing interest in studying the nonlinear properties of spin waves. Nonlinear phenomena, such as envelope solitons, nonlinear frequency shifts of intense spin waves, and etc., have attracted particular attention. However, a number of important issues remain to be underexplored, including the problem of induced nonlinear phase shift of spin waves. The relevance of this problem is related to the need to develop spin-wave logic gates that could be controlled by changing the spin wave phase.

Aim

Aim. To study a nonlinear XNOR logic gate whose operation is based on the induced nonlinear phase shift of a spin wave.

Materials and methods

Materials and methods. An original theory is used to simulate the frequency response of a nonlinear XNOR logic gate. The operating principle of the nonlinear XNOR logic gate is substantiated. The possibility of implementing the nonlinear XNOR logic gate in a circuit similar to a spin-wave Mach-Zehnder interferometer is experimentally demonstrated.

Results

Results. An experimental study of the induced nonlinear phase shift of operating signals incident on identical nonlinear spin-wave phase shifters located in the arms of the logic gate was carried out. It is shown that an increase in the pump signal power up to 60 mW, supplied to nonlinear phase shifters, changes the induced nonlinear phase shift of the operating signal by more than 180°. Hence, nonlinear phase shifters can be used for constructing spin-wave logic gates. In addition, the operating principle of a spin-wave logic gate was experimentally studied. It is shown that the XNOR logical function is implemented in the low-frequency part of the device’s frequency response characteristic.

Conclusion

Conclusion. Numerical simulation of the characteristics of a nonlinear XNOR logic gate based on the Mach-Zehnder interferometer circuit was carried out. It is shown that its logical functions are implemented due to the effect of an induced nonlinear phase shift of spin waves in nonlinear phase shifters located in different arms of the logic gate.

спиновые волнынелинейный логический элементпленка железоиттриевого гранатаspin wavesnonlinear logic gateyttrium iron garnet (YIG) filmsИсследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ и ЯОПН, проект № 21-52-50006.The reported study was funded by RFBR and JSPS, project no. 21-52-50006.ReferencesNikitov S. A., Tailhades P., Tsai C. S. Spin waves in periodic magnetic structures – magnonic crystals // J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2001. Vol. 236, № 3. P. 320–330. doi: 10.1016/S0304-8853(01)00470-XNikitov S. A., Tailhades P., Tsai C. S. Spin Waves in Periodic Magnetic Structures – Magnonic Crystals. J. of Magnetism and Magnetic Materials. 2001, vol. 236, no. 3, pp. 320–330. doi: 10.1016/S0304-8853(01)00470-XМагноника – новое направление спинтроники и спин-волновой электроники / С. А. Никитов, Д. В. Калябин, И. В. Лисенков, А. Н. Славин, Ю. Н. Барабаненков, С. А. Осокин, А. В. Садовников, Е. Н. Бегинин, М. А. Морозова, Ю. П. Шараевский, Ю. А. Филимонов, Ю. В. Хивинцев, С. Л. Высоцкий, В. К. Сахаров, Е. С. Павлов // Успехи физ. наук. 2015. Т. 185, №. 10. С. 1099–1128. doi: 10.3367/UFNe.0185.201510m.1099Nikitov S. A., Kalyabin D. V., Lisenkov I. V., Slavin A. N., Barabanenkov Ju. N., Osokin S. A., Sadovnikov A. V., Beginin E. N., Morozova M. A., Sharaevskii Ju. P., Filimonov Ju. A., Hivincev Ju. V., Vysockii S. L., Saharov V. K., Pavlov E. S. Magnonics: a New Research Area in Spintronics and Spin Wave Electronics. Physics-Uspekhi. 2015, vol. 185, no. 10, pp. 1099– 1128. doi: 10.3367/UFNe.0185.201510m.1099 (In Russ.)Вороненко А. В., Герус С. В. Взаимодействие поверхностных магнитостатических волн с пространственно-периодическим магнитным полем // Письма в Журн. техн. физики. 1984. Т. 10, № 12. С. 746–748.Voronenko A. V., Gerus S. V. Interaction of Surface Magnetostatic Waves with Spatial-Periodical Magnetic Fields. Pisma v Zhurnal Tekhnicheskoi Fiziki. 1984, vol. 10, no. 12, pp. 746–748. (In Russ.)Kolodin P. A., Hillebrands B. Spin-wave propagation across periodically corrugated thin metallic ferromagnetic films // J. of magnetism and magnetic materials. 1996. Vol. 161. P. 199–202. doi: 10.1016/S0304-8853(96)00019-4Kolodin P. A., Hillebrands B. Spin-Wave Propagation across Periodically Corrugated Thin Metallic Ferromagnetic Films. J. of Magnetism and Magnetic Materials. 1996, vol. 161, pp. 199–202. doi: 10.1016/S0304-8853(96)00019-4Ferromagnetic films with magnon bandgap periodic structures: Magnon crystals / Yu. V. Gulyaev, S. A. Nikitov, L. V. Zhivotovskii, A. A. Klimov, Ph. Tailhades, L. Presmanes, C. Bonningue, C. S. Tsai, S. L. Vysotskii, Yu. A. Filimonov // J. of Experimental and Theoretical Physics Let. 2003. Vol. 77, № 10. C. 670–674. doi: 10.1134/1.1595698Gulyaev Yu. V., Nikitov S. A., Zhivotovskii L. V., Klimov A. A., Tailhades Ph., Presmanes L., Bonningue C., Tsai C. S., Vysotskii S. L., Filimonov Yu. A. Ferromagnetic Films with Magnon Bandgap Periodic Structures: Magnon Crystals. J. of Experimental and Theoretical Physics Let. 2003, vol. 77, no. 10, pp. 670–674. doi: 10.1134/1.1595698Локк Э. Г. Дисперсия магнитостатических волн в композитной структуре феррит-решетка металлических полосок // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48, № 12. C. 1484–1494.Lock E. H. Dispersion of Magnetostatic Waves in a Ferrite-Lattice Composite Structure of Metal Strips. Radio Engineering and Electronics. 2003, vol. 48, no. 12, pp. 1484–1494. (In Russ.)Krawczyk M., Puszkarski H. Plane-wave theory of three-dimensional magnonic crystals // Physical Review B. 2008. Vol. 77, № 5. P. 054437. doi: 10.1103/PhysRevB.77.054437Krawczyk M., Puszkarski H. Plane-Wave Theory of Three-Dimensional Magnonic Crystals. Physical Review B. 2008, vol. 77, no. 5, p. 054437. doi: 10.1103/PhysRevB.77.054437Григорьева Н. Ю., Калиникос Б. А. Дисперсионные характеристики спиновых волн в планарных периодических структурах на основе ферро-магнитных пленок // Журн. техн. физики. 2009. Т. 79, № 8. C. 110–117.Grigor'eva N. Ju., Kalinikos B. A. Dispersion Characteristics of Spin Waves in Planar Periodic Structures Based on Ferromagnetic Films. Zhurnal tehnicheskoi fiziki. 2009, vol. 79, no. 8, pp. 110–117. (In Russ.)Высоцкий С. Л., Никитов С. А., Новицкий Н. Н. Спектр и потери поверхностных магнитостатических волн в одномерном магнонном кристалле // Журн. техн. физики. 2011. Т. 81, № 2. C. 150–152.Vysockii S. L., Nikitov S. A., Novickii N. N. Spectrum and Losses of Surface Magnetostatic Waves in a One-Dimensional Magnon Crystal. Zhurnal tehnicheskoi fiziki. 2011, vol. 81, no. 2, pp. 150–152. (In Russ.)Spin-wave logical gates / M. P. Kostylev, A. A. Serga, T. Schneider, B. Leven, B. Hillebrands // Applied Physics Let. 2005. Vol. 87, № 15. P. 153501. doi: 10.1063/1.2089147Kostylev M. P., Serga A. A., Schneider T., Leven B., Hillebrands B. Spin-Wave Logical Gates. Applied Physics Let. 2005, vol. 87, no. 15, p. 153501. doi: 10.1063/1.2089147Fetisov Y. K., Patton C. E. Microwave bistability in a magnetostatic wave interferometer with external feedback // IEEE transactions on magnetics. 1999. Vol. 35, № 2. P. 1024–1036. doi: 10.1109/20.748850Fetisov Y. K., Patton C. E. Microwave Bistability in a Magnetostatic Wave Interferometer with External Feedback. IEEE Transactions on Magnetics. 1999, vol. 35, no. 2, pp. 1024–1036. doi: 10.1109/20.748850Устинов А. Б., Григорьева Н. Ю., Калиникос Б. А. Наблюдение солитонов огибающей спиновых волн в периодических магнитных пленочных структурах // Письма в Журн. экспериментальной и теоретической физики. 2008. Т. 88, № 1. С. 34–39. doi: 10.1134/S0021364008130079Ustinov A. B., Grigor'eva N. Y., Kalinikos B. A. Observation of Spin-Wave Envelope Solitons in Periodic Magnetic Film Structures. Pis' ma v Zhurnal Èksperimental'noi i Teoreticheskoi Fiziki. 2008, vol. 88, no. 1, pp. 34–39. doi: 10.1134/S0021364008130079 (In Russ.)Морозова М. А., Шараевский Ю. П., Шешукова С. Е. Механизмы формирования солитонов огибающей в периодических ферромагнитных структурах // Изв. вузов. Прикладная нелинейная динамика. 2010. Т. 18, № 5. С. 113–124. doi: 10.18500/0869-6632-2010-18-5-111-120Morozova M. A., Sharaevskii Ju. P., Sheshukova S. E. Mechanisms of Formation of Envelope Solitons in Periodic Ferromagnetic Structures. Izvestiya vysshih uchebnyh zavedenii. Prikladnaya nelineynaya dinamika. 2010, vol. 18, no. 5, pp. 113–124. doi: 10.18500/0869-6632-2010-18-5-111-120 (In Russ.)Self-generation of chaotic dissipative soliton trains in active ring resonator with 1-D magnonic crystal / S. V. Grishin, Yu. P. Sharaevskii, S. A. Nikitov, E. N. Beginin, S. E. Sheshukova // IEEE transactions on magnetics. 2011. Vol. 47, № 10. P. 3716–3719. doi: 10.1109/TMAG.2011.2158293Grishin S. V., Sharaevskii Yu. P., Nikitov S. A., Beginin E. N., Sheshukova S. E. Self-Generation of Chaotic Dissipative Soliton Trains in Active Ring Resonator with 1-D Magnonic Crystal. IEEE Transactions on Magnetics. 2011, vol. 47, no. 10, pp. 3716–3719. doi: 10.1109/TMAG.2011.2158293Ustinov A. B., Drozdovskii A. V., Kalinikos B. A. Multifunctional nonlinear magnonic devices for microwave signal processing // Applied Physics Let. 2010. Vol. 96, № 14. P. 142513. doi: 10.1063/1.3386540Ustinov A. B., Drozdovskii A. V., Kalinikos B. A. Multifunctional Nonlinear Magnonic Devices for Microwave Signal Processing. Applied Physics Let. 2010, vol. 96, no. 14, p. 142513. doi: 10.1063/1.3386540Induced nonlinear phase shift of spin waves for magnonic logic circuits / A. B. Ustinov, N. A. Kuznetsov, R. V. Haponchyk, E. Lahderanta, T. Goto, M. Inoue // Applied Physics Let. 2021. Vol. 119, № 19. P. 192405. doi: 10.1063/5.0074824Ustinov A. B., Kuznetsov N. A., Haponchyk R. V., Lahderanta E., Goto T., Inoue M. Induced Nonlinear Phase Shift of Spin Waves for Magnonic Logic Circuits. Applied Physics Let. 2021, vol. 119, no. 19, p. 192405. doi: 10.1063/5.0074824Haponchyk R. V., Ustinov A. B. Nonlinear phase shifts induced by pumping spin waves in magnonic crystals // Applied Physics Let.. 2023. Vol. 122, № 21. P. 212401. doi: 10.1063/5.0153392Haponchyk R. V., Ustinov A. B. Nonlinear Phase Shifts Induced by Pumping Spin Waves in Magnonic Crystals. Applied Physics Let. 2023, vol. 122, no. 21, p. 212401. doi: 10.1063/5.0153392Fan-out enabled spin wave majority gate / A. Mahmoud, F. Vanderveken, C. Adelmann, F. Ciubotaru, S. Hamdioui, S. Cotofana // Aip Advances. 2020, vol. 10, no. 3. doi: 10.1063/1.5134690Mahmoud A., Vanderveken F., Adelmann C., Ciubotaru F., Hamdioui S., Cotofana S. Fan-Out Enabled Spin Wave Majority Gate. Aip Advances. 2020, vol. 10, no. 3. doi: 10.1063/1.5134690

The authors declare that there are no conflicts of interest present.