Нелинейные колебания намагниченности в касательно намагниченном пленочном ферромагнитном резонаторе

Введение. Резонаторы на основе эпитаксиально выращенных монокристаллических пленок железоиттриевого граната находят применение в сверхвысокочастотной электронике. Известно, что с ростом падающей на резонатор СВЧ-мощности начинают проявляться различные нелинейные эффекты: эффект бистабильности, нелинейный сдвиг частоты, нелинейное затухание и др. В настоящее время перечисленные нелинейные эффекты достаточно хорошо экспериментально исследованы. Ранее при описании колебаний различных динамических систем нелинейное затухание и нелинейный сдвиг частоты обычно рассматривались по отдельности. Известно, что эти эффекты могут возникать одновременно в пленочных ферромагнитных резонаторах с ростом амплитуды колебаний намагниченности.

Цель работы. Построение модели вынужденных колебаний в слабонелинейных системах с учетом нелинейного сдвига частоты и нелинейного затухания, а также ее экспериментальное обоснование на примере пленочного ферромагнитного резонатора.

Материалы и методы. Построение модели проводилось методом медленно меняющихся амплитуд. Экспериментальное исследование проводилось на макете пленочного ферромагнитного резонатора. Использовался векторный анализатор цепей Rohde&Schwarz ZVA 40. Измерялась частотная зависимость коэффициента отражения СВЧ-сигнала от резонатора.

Результаты. Модель нелинейных колебаний намагниченности с одновременным учетом нелинейного сдвига частоты и нелинейного затухания. Экспериментально измерены резонансные кривые при различных уровнях падающей на резонатор СВЧ-мощности. Показано, что нелинейное затухание ограничивает нелинейный сдвиг частоты колебаний намагниченности в касательно намагниченном пленочном ферромагнитном резонаторе.

Заключение. Построенная модель адекватно описывает поведение резонансных кривых пленочных ферромагнитных резонаторов при повышенных уровнях СВЧ-мощности. Нелинейное затухание приводит к расширению резонансных кривых, тем самым увеличивая потери. Этот эффект также увеличивает коэффициент отражения СВЧ-сигнала от резонатора.

1. Ishak W. S., Chang K-W. Tunable Microwave Resonators using Magnetostatic Wave in YIG films // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1986. Vol. 34, № 12. P. 1383–1393. doi: 10.1109/TMTT.1986.1133553

2. Ferrite Devices and Materials / J. D. Adam, L. E. Davis, G. F. Dionne, E. F. Schloemann, S. N. Stitzer // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 2002. Vol. 50, № 3. P. 721–737. doi: 10.1109/22.989957

3. Ustinov A. B., Srinivasan G., Fetisov Y. K. Microwave Resonators based on Single-crystal YttriumIron Garnet and Single-crystal Lead Magnesium Niobate-lead Titanate Layered Structures // J. Appl. Phys. 2008. Vol. 103, № 6. Art. 063901. 6 p.

4. Dual Tunable Thin-film Ferrite-ferroelectric Slotline Resonator / A. A. Semenov, P. Yu. Beljavski, A. A. Nikitin, S. F. Karmanenko, B. A. Kalinikos, G. Srinivasan // Electronics Lett. 2008. Vol. 44, № 24. P. 1406–1407. doi:10.1049/el:20082122

5. Fetisov Y. K., Patton C. E. Thermal Microwave Foldover and Bistabilityin Ferromagnetic Resonance // IEEE Trans. on Magnetics. 2004. Vol. 40, № 2. P. 473–482. doi: 10.1109/TMAG.2004.824132

6. Microwave Bistability in Active Ring Resonators with Dual Spin-wave and Optical Nonlinearities / V. V. Vitko, A. A. Nikitin, A. B. Ustinov, B. A. Kalinikos // IEEE Magnetics Lett. 2018. Vol. 9. Art. 3506304. doi: 10.1109/LMAG.2018.2870060

7. Fetisov Y. K., Patton C. E., Synogach V. T. Nonlinear Ferromagnetic Resonance and Foldoverin Yttrium Iron Garnet Thin Films-inadequacy of the Classical Model // IEEE Trans. on Magnetics. 1999. Vol. 35, № 6. P. 4511–4521. doi: 10.1109/20.809144

8. Гуревич А. Г., Мелков Г. А. Магнитные колебания и волны. М.: Физматлит, 1994. 464 с.

9. Zhang Y. T., Patton C. E., Kogekar M. Ferromagnetic Resonance Foldoverin Single Crystal YIG Films – Sample Heating or Suhl Instability // IEEE Trans. on Magnetics. 1986. № 5. P. 993–995. doi: 10.1109/TMAG.1986.1064446

10. Gui Y. S., Wirthmann A., Hu C.-M. Foldover Ferromagnetic Resonance and Damping in Permalloy Microstrips // Physical Review В. 2009. Vol. 80. Art. 184422. 13 p. doi: 10.1103/PhysRevB.80.184422

11. Zhang Y. T., Patton C. E., Srinivasan G. Spinwave Instability and "true" Foldoverin Single Crustal YIG Films // J. Appl. Phys. 1988. Vol. 63. P. 13–18.

12. Praveen-Janantha P. A., Kalinikos B. A., Wu M. Foldover of Nonlinear Elgenmodesin Magnetic Thin Filmbased Feedback Rings // Physical Review В. 2017. № 95, № 6. Art. 0644225 p. doi: 10.1103/PhysRevB.95.064422

13. Direct Measurement of Foldover in Cavity Magnon-polariton Systems / P. Hyde, B. M. Yao, Y. S. Gui, G.-Q. Zhang, C.-M. Hu, J. Q. You, C.-M. Hu // Physical Review В. 2018. № 95. Art. 174423. 9 p. doi:10.1103/PhysRevB.98.174423

14. Ferromagnetic Resonance Foldover and Spin-wave Instability in Single-crystal YIG Films / M. Chen, C. E. Patton, G. Srinivasan, Y. T. Zhang // IEEE Trans. on Magnetics. 1989. Vol. 25, № 5. P. 3485–3487. doi: 10.1109/20.42343

15. Seagle D. J., Charap S. H., Artman J. O. Foldover in YIG // J. Appl. Phys. 1985. Vol. 57, № 8. P. 3706–3708.

16. Дроздовский А. В., Устинов А. Б. Нелинейный отклик пленочного ферромагнитного резонатора в условиях нелинейного затухания колебаний намагниченности // Письма в ЖТФ. 2010. Т. 36, № 18. С. 10–18.

17. Yan H., Wang Q., Awai I. Resonant frequency shift in a MSSW-SER with excitation power// Electronics Lett. 1996. Т. 32, №. 19. С. 1787–1789.

18. Львов В. С. Нелинейные спиновые волны. М.: Наука, 1987. 270 с.

19. Nonlinear Damping of High-power Magnetostatic Waves in Yttrium-Iron-Garnet Films / M. M. Scott, C. E. Patton, M. P. Kostylev, B. A. Kalinikos // J. Appl. Phys. 2004. Vol. 95, № 11. P. 6294–6301.

20. Калиникос Б. А., Ковшиков Н. Г., Оспанов Е. А. Параметрическая регенерация спиновых колебаний пленочного ферромагнитного резонатора сверхвысокочастотной накачкой // Письма в ЖТФ. 1997. Т. 23, №. 16. С. 82–84.

21. Основы теории колебаний / В. В. Мигулин, В. И. Медведев, Е. Р. Мустель, В. Н. Парыгин. М.: Наука, 1988. 392 с.