Исследование нелинейного логического элемента "исключающее ИЛИ-НЕ" на основе наведенного нелинейного сдвига фазы спиновых волн

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

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. 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. 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.

1. Nikitov 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-X

2. Магноника – 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.1099

3. 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.

4. 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)00019-4

5. Ferromagnetic 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: 10.1134/1.1595698

6. Локк Э. Г. Дисперсия магнитостатических волн в композитной структуре феррит-решетка металлических полосок // Радиотехника и электроника. 2003. Т. 48, № 12. C. 1484–1494.

7. 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.77.054437

8. Григорьева 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.

9. 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.

10. 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: 10.1063/1.2089147

11. Fetisov 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: 10.1109/20.748850

12. Устинов 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/S0021364008130079

13. 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: 10.18500/0869-6632-2010-18-5-111-120

14. 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.2011.2158293

15. Ustinov 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: 10.1063/1.3386540

16. Induced 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: 10.1063/5.0074824

17. Haponchyk 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: 10.1063/5.0153392

18. Fan-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: 10.1063/1.5134690