Спосіб визначення частоти релаксації спінових хвиль в магнітних плівках

Спосіб визначення частоти релаксації спінових хвиль в магнітних плівках, що включає одночасну дію на матеріал направлених паралельно одне одному постійного однорідного магнітного поля і надвисокочастотного магнітного поля накачки і наступне дослідження наслідків впливу їх на амплітуди спінових хвиль феритових матеріалів, який відрізняється тим, що проводять дослідження параметричного підсилення накачкою спінових хвиль, створюючи їх надлишкову кількість шляхом подачі додаткового надвисокочастотного сигнального імпульсу до моменту ввімкнення накачки, і визначають параметри релаксації амплітуди сигналу обернення хвильового фронту за вимірами у двох різних моментах часу, а частоту релаксації спінових хвиль w rk визначають за формулою: ëAr Tp1 / Ar Tp 2 ûdB , w rk = 17,36 Tp 2 - Tp1 де Ar(t) амплітуда вихідного сигналу, w rk ëA r Tp1 / A r Tp 2 ûdB - відношення амплітуд = вихідних си гналів, подане в децибелах, t =T p1 і t = Tp2 - два моменти часу, коли проводять виміри. Корисна модель відноситься до галузі магнітної НВЧ-електроніки і методів досліджень властивостей магнітних матеріалів і може бути використаний для неруйнівного контролю якості магнітних плівок, які застосовуються в аналогових приладах обробки НВЧ інформації, таких як магнітостатичні лінії затримки, системи подавления шумів, конвольвери і корелятори. На практиці для вимірювання частоти релаксації спінових хвиль w rk і пов'язаної з нею Найбільш близьким за своєю технічною сутністю і досягаемому результату до заявляемого способу визначення частоти релаксації спінових хвиль в магнітних плівках є спосіб, що базується на параметричному збудженні накачкою спінових хвиль частоти w k з теплового рівня [1]. На ( ) ( ) ( ) ( ) DH k ширину лінії феромагнітної плівки. з характеристиками 30765 (11) UA (19) ширини лінії DH k = 2wrk / g ( g - гіромагнітне відношення, k - хвильове число) [1] запропоновано ряд спектрометричних методів аналізу, в тому числі метод магнітної ями [2] для пластин великих розмірів, метод прямокутного плівкового резонатору [3]. До недоліків цих методів слід віднести складність вимірювання характеристик релаксації для збуджень із складною просторовою структурою, вплив стану поверхні на частоту релаксації хвиль w rk , що не дозволяє пов'язати експерименті в умовах паралельності постійного поля H 0 та НВЧ магнітного поля накачки h w p = 2wk частоти (паралельна накачка) вимірюють порогову потужність накачки Рпор параметричного збудження спінових хвиль. При цій потужності амплітуда підсилених накачкою з теплового рівня спінових хвиль та енергія, що була поглинута ними з накачки, досягає помітних у експерименті значень, в результаті чого починаються викривлення відбитого від резонатору із зразком, що досліджується, імпульсу накачки [4] та підвищується температура зразка [5]. Виміряна у такий спосіб порогова потужність Рпор через параметри резонатора (добротність, коефіцієнт зв'язку, об'єм, розподіл змінного магнітного поля) перераховується у значення порогової амплітуди накачки hnop параметричного збудження спінових хвиль. (13) U ( ) 3 30765 4 Саме порогова амплітуда поряд з частотою ëAr Tp1 / Ar Tp 2 ûdB , (2) w rk = wp 17,36 Tp 2 - Tp1 накачки та намагніченістю насичення зразка М0 визначають частоту релаксації та ширину лінії де Ar(t) амплітуда вихідного сигналу, спінових хвиль [1]: w rk ëA r Tp1 / A r Tp 2 ûdB = - відношення амплітуд gDH k 2pgM 0 (1) сигналів, що подане в децибелах, t =Tp1 і t = Tp2 w rk º = ghпор . 2 wp моменти часу, коли проводять виміри. Цей спосіб обраний нами за спосіб-прототип. Сукупність нових ознак, а саме подача на Основні його недоліки пов'язані з необхідність вхідн у антену додаткового сигнального імпульсу точного вимірювання на експерименті великого до ввімкнення накачки і послідовні вимірювання числа допоміжних параметрів, а саме: порогової амплітуди сигналів обернення хвильового фронту потужності НВЧ магнітного поля, добротності, в два близькі моменти часу, приводять до того, що коефіцієнта зв'язку і розподілу поля резонатору, необхідні експериментальні виміри можуть бути перерахунку порогової потужності в порогову виконані простим атенюаторним компенсаційним амплітуду і, нарешті, розрахунку параметрів методом з похибкою, що звичайно не перевищує релаксації. При цьому накопичується похибка, яка декількох процентів. Тепер немає потреби складає у кращому випадку декілька десятків визначати додаткові характеристики, такі як відсотків. У деяких випадках, наприклад, при порогова потужність високочастотного магнітного використанні для неруйнівного контролю відкритих поля, добротність, коефіцієнт зв'язку і розподіл діелектричних резонаторів, де через вплив поля резонатору, а також проводити додаткові зовнішніх граничних умов не існує однозначного перерахунки, як у випадку прототипу, і це суттєво зв'язку між полем в резонаторі та падаючою на спрощує процес вимірювання. Перевагою способу, нього потужністю, можливі лише відносні що заявляється як Корисна модель, перед вимірювання [6]. Крім того, спосіб-прототип відомими, зокрема, методом магнітної ями [2] і відноситься до непрямих методів вимірювання, прямокутного плівкового резонатору [3], є те, що оскільки дозволяє визначати частоту релаксації вимірюється безпосередньо параметр релаксації спінових хвиль не за характеристиками затухання w rk , а не інші характеристики, зокрема, ширина сигналів у часі, а за величиною порогового поля накачки. лінії феромагнітного резонансу DH k . В основу корисної моделі поставлена задача Для пояснення суті способу, що заявляється створення прямого методу вимірювання частоти як Корисна модель, необхідно розглянути релаксації спінових хвиль по затуханню їхньої особливості збудження магнітостатичних і амплітуди зі збільшенням часового проміжку між спінових хвиль в феритовій плівці. Сигнальний подачею першого високочастотного імпульсу і імпульс за допомогою вхідної антени збуджує у ввімкненням другого високочастотного імпульсу зразку спектр магнітостатичних та спінових хвиль з великої потужності, що достатня для хвильовими числами к в межах спостереження параметричної взаємодії 2 -1 5 -1 10 см £ k £ 10 см . Нижня границя відповідає електромагнітної накачки з спіновими хвилями у феромагнітних плівках. Це дозволить значно прямому збудженню антеною магнітостатичних спростити процедуру експериментального хвиль, верхня - збудженню спінових хвиль в визначення релаксаційних параметрів плівок і основному за рахунок двохмагнонного розсіяння суттєво підвищити їх точність за рахунок цих хвиль на неоднорідностях матеріалу, які виключення з процедури вимірів складних методів завжди присутні у реальних зразках [1]. На визначення допоміжних параметрів матеріалу і експерименті створюються умови для підсилення експериментальної установки. та обернення хвильового фронту спінових хвиль Поставлена задача вирішується тим, що в частоти w k параметричною накачкою частоти способі визначення частоти релаксації спінових wp хвиль в магнітних плівках, який включає одночасну = 2 w k [7]. На відміну від способу-прототипу дію на матеріал направлених паралельно одне взаємодія накачки відбувається зі спіновими одному постійного однорідного магнітного поля і хвилями, які штучно створені шляхом подачі надвисокочастотного магнітного поля накачки і додаткового сигнального імпульсом частоти наступне дослідження наслідків впливу їх на w s @ wk = wp / 2 амплітуди спінових хвиль феритових матеріалів, , а не з тепловими спіновими згідно з корисною моделю, що заявляється, хвилями. проводять дослідження параметричного Позначимо амплітуди цих хвиль, які підсилення накачкою спінових хвиль, створюючи їх встановилися в результаті дії сигналу, відповідно надлишкову кількість шляхом подачі додаткового а0 та аk. При цьому амплітуди а0, а k можуть надвисокочастотного сигнального імпульсу до суттєво перевищува ти тепловий рівень а T : а0, аk моменту ввімкнення накачки, і визначають >>аT; через неефективність двохмагнонного параметри релаксації амплітуди сигналу розсіяння у ідеальних кристалах звичайно а 0 >>аk. обернення хвильового фронту за вимірами у двох Після вимкнення сигнального імпульсу при t = 0 різних моментах часу, а частоту релаксації амплітуди збуджених ним хвиль почнуть зменшуватися за експоненційним законом, в w rk визначають за формулою: спінових хвиль результаті чого сумарна амплітуда ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) 5 30765 6 магнітостатичних і спінових хвиль в певний момент Фіг.1, залежність вихідної потужності сигналу часу t буде мати вигляд обернення хвильового фронту магнітостатичних і дипольно-обмінних спінових хвиль від часу -wr ,0 t -w rk t (3) A = a 0e + ak e , затримки подачі накачки відносно переднього w r 0 - частота релаксації магнітостатичних фронту додаткового вхідного сигнального імпульсу де в логарифмічному масштабі. хвиль, w rk - частота релаксації спінових хвиль, яку Прилад для визначення частоти релаксації необхідно визначити. Якщо тепер в момент t = Tp спінових хвиль складається з гадоліній-галієвій >0 на магнітну плівку буде подано короткий підкладки 1 прямокутної форми, на якій імпульс електромагнітної накачки достатньо епітаксіально вирощують плівку залізо-ітрієвого великої потужності, він приведе до гранату (ЗІГ) на нижній поверхні 2. Така структура параметричного підсилення спінових хвиль і з феритової плівки на підкладці звичайно виникнення "холостих" обернених хвиль, котрі використовується як хвилевід магнітостатичних будуть розповсюджуватися у зворотному напрямку хвиль (МС Х). Середня частина цієї структури до вхідної антени і досягнуть її, незалежно від розміщена всередині прямокутного відкритого швидкості хвилі, у момент часу t = 2Tp. Таким діелектричного резонатору 3. Вузький чином, на вхідній антені при t = 2Тр виникне мікросмужковий перетворювач 4 (шириною W = 10 вихідний сигнал Аr, пропорційний амплітуді мкм) розташований з одного боку резонатору 3 і спінових хвиль, які досягли вхідної антени. У використовується для збудження та прийому відповідності з (3) імпульсного сигналу магнітостатичних і короткохвильових дипольно-обмінних спінових -wro 2 Tp -wrk 2 Tp (4) Ar = G 0 a 0 e + G k ak e , хвиль (ДОСХ). Поглинач 5 розташований з другого де G0,G k - коефіцієнти параметричного підсилення, боку діелектричного резонатору 3 і поглинає всі які залежать від потужності та тривалості імпульсу сигнали, які досягають другого кінця хвилеводу накачки, звичайно G ~ 20 дБ [7]. магнітостатичних хвиль (плівковий ЗІГ - хвилевід). Через велике значення хвильового числа (k £ Плівковий хвилевід мав наступні розміри: 105см -1) та близької до нуля швидкості товщина плівки ЗІГ, що вирощена на поверхні розповсюдження [1], затухання спінових хвиль підкладки 1, - 7,4 мкм, ширина - 1,5 мм, довжина практично не залежить від стану поверхні зразка, 20 мм. Зовнішнє постійне магнітне поле Н 0 = 1100 для них відсутнє помітне радіаційне затухання, Е було прикладене вздовж осі хвилеводу, що обумовлене випроміненням електромагнітної відповідає геометрії зворотних об'ємних енергії у зовнішні канали. Тому частота релаксації магнітостатичних хвиль (ЗОМС Х)[1]. цих хвиль є власною характеристикою матеріалу і Спосіб визначення частоти релаксації спінових вона завжди суттєво нижча, ніж для всіх інших , у хвиль здійснюють наступним чином. Імпульсне електромагнітне поле накачки з несучою частотою тому числі і магнітостатичних хвиль: w rk > аk), із збільшенням часу затримки Тр 3 (довжина вздовж вісі D = 4 мм) з термостабільної моменту ввімкнення імпульсу накачки другий доданок в (4) через присутність повільної кераміки з діелектричною проникністю e = 80. експоненти стане суттєво більший за перший. НВЧ магнітне поле накачки в резонаторі 3 направлене паралельно постійному магнітному w r 0 -1) амплітуда Таким чином, при великих Тр (Тр > полю H0. Резонатор 3 розміщують у отворі вихідного оберненого сигналу Аr на вхідній антені стандартного прямокутного хвилеводу з основною буде експоненційно зменшуватися з ростом Тр з модою Н 10 (не показано на фіг.1). Цей показником експоненти, пропорційним частоті прямокутний хвилевід використовують для подачі на резонатор від магнетрону мікрохвильового релаксації спінових хвиль: Аr ~ е-2Тр w rk . Із цієї залежності Аr(Tр) може бути визначена частота w / 2p імпульсу накачки з несучою частотою p =9,4 релаксації спінових хвиль w rk . Для цього її tp = 5 ¸ 300 ГГц, тривалістю нс та максимальною потрібно побудувати в логарифмічному масштабі, потужністю накачки Рр=5 Вт. де вона буде представляти пряму лінію з Вхідний прямокутний НВЧ імпульс з несучою тангенсом кута нахилу, рівним 2 w rk . При переході частотою w s / 2p @ 4,7 ГГц, тривалістю t s = 20 не до децибел отримаємо практичну формулу (2). та потужністю PS 2 w r 0 -1) все більший відносний сукупність параметрів установки і матеріалу: внесок у вихідний сигнал буде забезпечуватися за порогову потужність високочастотного магнітного допомогою пакету ДОСХ, оскільки він має відносно поля, добротність, коефіцієнт зв'язку і розподіл малий параметр затухання. поля резонатору, і проводити додаткові Таким чином, залежність амплітуди вихідного перерахунки, що приводить до великої загальної сигналу Аr від часу затримки ввімкнення накачки похибки у десятки процентів. Tр, накреслена у логарифмічному масштабі, Таким чином, спосіб визначення частоти матиме дві чітко визначені лінійні області з різними релаксації спінових хвиль в магнітних плівках, що нахилами: одна (при малих часах затримки) має пропонується, дозволяє значно спростити процедуру нахил, пропорційний до параметру затухання w r 0 експериментального визначення пакету ЗОМС Х, а др уга (при великих часах релаксаційних параметрів плівок і суттєво затримки) має суттєво менший нахил, підвищити точність результатів за рахунок пропорційний до параметру затухання w rk пакету виключення з процедури вимірів складних методів спінових хвиль. визначення допоміжних параметрів матеріалу і Отримана типова експериментальна експериментальної установки. залежність вихідної потужності Аг від часу Тр Джерела інформації подачі накачки показана на Фіг.2 при наступних 1. Gurevich A. G., Melkov G. A. Magnetization tp Oscillations and Waves. CRC Press, N.Y., 1996. експериментальних параметрах: Рр= 5 Вт, = 50 2. Калиникос Б.А., Ковшиков Н.Г., Надеев М.М. t s = 20 не. У хорошій якісній відповідності до Локальные измерения магнитной диссипации в не, ферродиэлектрических пленках методом теоретичного виразу (4) ця залежність має дві "магнитной ямы"// Тез.докл. Всесоюз. конф. по відносно лінійні частини згідно з основним внеском физике магнитных явлений. Москва, Изд-во МГУ, пакету ЗОМС Х при малих значеннях Тр (60 150 нc). Przystawa J.A. The determination of the frequencies w rk Параметр релаксації спінових хвиль of magnetostatic modes in rectangular thin films of визначається за формулою (2) з нахилу кривої ferrimagnetic yttrium iron garnet// J.Phys.C : Solid Аr(т р) у другій лінійній області на фіг.2; він складає State Phys. - 1977. - V.I0, N 3. - P. 875-888. 1.9.106 с-1, що відповідає ширині лінії спінових 4. Моносов Я.А. Нелинейный ферромагнитный резонанс. Москва, "Наука", 1971.-210 с. хвиль DH k = 0,22 Е. 5. Опис до А.С. СРСР № 310202, МПК G 01г 33/02. 9 30765 6. Опис до А.С. СРСР № 1652816, МПК5 G 01 В15/00. 7. Melkov G.A., Vasyuchka V.I., Kobljanskyj Yu.V., Sla vin A.N. Wave-front re versal in a medium with inhomogeneities and an anisotropic wave spectrum// Phys.Rev.B. - 2004. V. 70, N 22. - 224407 (7 pages). 10