В рамках данного направления разрабатываются технологии получения тонкопленочных магнитных микроструктур на основе ферритов и ферромагнитных металлов, в том числе в комбинации с различными немагнитными материалами (металлы, полупроводники, пьезоэлектрики). Разрабатываются системы возбуждения-приема спиновых волн, методы управления спиновыми волнами. Развиваются методики изучения спинволновых и магниторезистивных явлений. Проводятся экспериментальные и теоретические исследования различных эффектов, связанных с возбуждением и распространением спиновых волн, а также с спинзависимым электронным транспортом, нацеленные на создание фундаментальных основ для построения устройств обработки информации на принципах магноники и спинтроники.

Экспериментально исследовано влияние геометрии микроволноводов ограниченной ширины из пленок железоиттриевого граната, волноводных переходов на их основе, а также расположения антенн на волноводах на эффективность возбуждения и распространения спиновых волн. Продемонстрированы эффект фильтрации ширинных мод в волноводах с изменяющейся шириной и избирательность направления передачи сигнала для ширинных мод в крестообразных структурах. Показано, что эффект анизотропии формы предпочтителен для более широкого перекрытия характеристик передачи в многопортовых структурах на основе взаимно перпендикулярных волноводов. Показано также, что расположение антенн на торцах микроволноводов может сопровождаться эффектом фильтрации – снижением эффективности возбуждения длинноволновой части спектра спиновых волн и их ширинных мод. Исследованы эффекты интерференции спиновых волн в 8-ми портовых структурах из микроволноводов шириной ~ 10 мкм.

Фотографии исследованных структур (a, b) и поперечный профиль микроволноводов (c).

• Хивинцев Ю.В., Кожевников А.В., Сахаров В.К., Дудко Г.М., Филимонов Ю.А., Khitun A. Интерференция спиновых волн в решетках из микроволноводов на основе пленок железоиттриевого граната // ЖТФ. – 2019. – Т. 89., №11. – С. 1712-1718.
• Khivintsev Y.V., Kozhevnikov A.V., Dudko G.M., Sakharov V.K., Filimonov Y.A., Khitun A.G. Spin waves in YIG-based networks: logic and signal processing // Physics of Metals and Metallography. – 2019. – Т. 120, №13. – С. 76-82.
• Хивинцев Ю.В., Кожевников А.В., Сахаров В.К., Дудко Г.М., Павлов Е.С., Высоцкий С.Л., Филимонов Ю.А. Влияние геометрии тонкопленочных микроволноводов на основе железоиттриевого граната и расположения микроантенн на характеристики возбуждения и прохождения в них магнитостатических волн // Известия Саратовского университета. Новая серия. Серия: Физика. – 2021. – Т. 21, вып. 3. – С. 249-263
• Khivintsev Y.V., Sakharov V.K., Kozhevnikov A.V., Dudko G.M., Filimonov Y.A., Khitun A. Spin waves in YIG based magnonic networks: Design and technological aspects // J. Magn. Magn. Mat. – 2022. – V. 545. – 168754

С помощью микромагнитного моделирования и экспериментально исследованы спинволновые возбуждения в пленках железоиттриевого граната (ЖИГ), выращенных ионно-лучевым распылением на подложках гадолиний галлиевого граната с поверхностным полосовым микрорельефом. Показано, что для таких образцов характерным является квантование спектра за счет влияния полей размагничивания, проявляющееся в формировании спинволновых резонансов, локализованных в различных участках гофрированной пленки ЖИГ. Обнаружено, что при распространении спиновой волны поперек полосового рельефа в спектре передачи и отражения формируются резонансные особенности, аналогичные системе связанных резонаторов, тогда как при распространении вдоль рельефа проявляются эффекты дискретной дифракции. Показано, что с ростом глубины рельефа h по отношению к толщине пленки ЖИГ t = 0.2 мкм, помимо брегговских запрещённых зон и дипольно-обменных резонансов, в дисперсионных зависимостях и спектре прохождения спиновой волны возможно формирование зоны непрохождения за счёт спин-волнового резонанса в боковых стенках гофрированных плёнок при h ≥ 0.1 мкм.

Схематическое изображение поперечного сечения (a) и фотографии исследованных образцов с микроантеннами (MA) для возбуждения и приема спиновой волны (b, c).

• Сахаров В.К., Хивинцев Ю.В., Дудко Г.М., Высоцкий С.Л., Филимонов Ю.А. Микромагнитное моделирование спин-волновых возбуждений в гофрированных плёнках ЖИГ // ФТТ. – 2019. – Т. 61, вып. 9. – С. 1652-1658.
• Sakharov V.K., Beginin E.N., Khivintsev Y.V., Sadovnikov A.V., Stognij A.I., Filimonov Y.A., Nikitov S.A. Spin waves in meander shaped YIG film: Toward 3D magnonics // Appl. Phys. Lett. – 2020. – V. 117, Issue 2. – 022403
• Sakharov V., Khivintsev Y., Vysotskii S., Stognij A., Filimonov Y., Sadovnikov A., Beginin E., Nikitov S. Spin wave filtration by resonances in the sidewalls of corrugated yttrium-iron garnet films // J. Magn. Magn. Mat. – 2022. – V. 545. – 168786.

Экспериментально исследованы эффекты, связанные с возникновением электродвижущей силы (ЭДС) за счет обратного спинового эффекта Холла в пленке платины, расположенной на поверхности пленки железоиттриевого граната при распространении в последней поверхностной магнитостатической волны (ПМСВ). Обнаружен немонотонный характер зависимости ЭДС от частоты (длины волны) ПМСВ с двумя пиками, соответствующими коротковолновой и длинноволновой границам спектра. Показано, что ЭДС может увеличиваться в разы на частотах дипольно-обменных резонансов. Установлено, что трехмагнонная неустойчивость приводит к уменьшению ЭДС для коротковолновой области ПМСВ за счет эффекта ограничения мощности, тогда как для длинноволновой области наблюдается линейный рост ЭДС с увеличением мощности, что связано с заселением параметрическими и вторичными спиновыми волнами области спектра анизотропных дипольно-обменных спиновых волн, характеризующейся наличием сингулярностей Ван Хова в плотности состояний спиновых волн. Показано, что в условиях интерференции двух встречных ПМСВ, величина ЭДС чувствительна к разности фаз ПМСВ и осциллирует.

Блок-схема установки для измерения ЭДС, коэффициентов передачи и отражения, а также спектра сигнала, прошедшего через структуру ЖИГ/Pt с интегрированными микроантеннами для возбуждения и приема ПМСВ: 1, 2 – микроантенны с контактными площадками; 3, 4 – контакты к Pt; 5 – анализатор цепей; 6 –модулятор; 7 – генератор импульсов; 8 – синхронный детектор; 9 – анализатор спектра; 10 – электромагнит.

• Nikulin Y.V., Seleznev M.E., Khivintsev Y.V., Sakharov V.K., Pavlov E.S., Vysotskii S.L., Kozhevnikov A.V., Filimonov Y.A. EMF generation by propagating magnetostatic surface waves in integrated thin-film Pt/YIG structure // Semiconductors. – 2020. – V. 54, No.12 – P. 1721-1724.
• Селезнев М.Е., Никулин Ю.В., Сахаров В.К., Хивинцев Ю.В., Кожевников А.В., Высоцкий С.Л., Филимонов Ю.А. Влияние резонансного взаимодействия поверхностных магнитостатических волн с обменными модами на генерацию ЭДC в структурах YIG/Pt // ЖТФ. – 2021. – Т. 91, Вып. 10. – С. 1504-1508.
• Никулин Ю.В., Кожевников А.В., Высоцкий С.Л., Селезнев М.Е., Хивинцев Ю.В., Филимонов Ю.А. Исследование интерференции поверхностных магнитостатических волн с помощью обратного спинового эффекта Холла // ФТТ. – 2022. – Т. 64, вып. 9. – С. 1293-1297.
• Селезнёв М.Е., Никулин Ю.В., Хивинцев Ю.В., Высоцкий С.Л., Кожевников А.В., Сахаров В.К., Дудко Г.М., Павлов Е.С., Филимонов Ю.А. Влияние трехмагнонных распадов на генерацию ЭДС поверхностными магнитостатическими волнами в интегральных структурах ЖИГ-Pt // Известия вузов. ПНД. – 2022. – Т. 30, №5. – С. 617-643

С использованием микромагнитного моделирования показана возможность построения логического ключа ”большинства“ на основе интерференции каустик спиновых волн, возбуждаемых прямолинейными преобразователями, ориентированными под углом к направлению магнитного поля, касательного к ферромагнитной пленке. Предложен подход, когда добавление к трем информационным сигналам опорного сигнала с фиксированной начальной фазой позволяет использовать на выходе устройства амплитудный детектор для составления таблицы истинности. Показана возможность масштабирования устройства на примере его работы в области длин спиновых волн микронных и субмикронных размеров.

a – распределение интенсивности волновых пучков в ключе ”большинства“ с использованием опорного сигнала от антенны DA2 с начальной фазой ”0“ и амплитудой 0.3 Э; b1, b2 – зависимости высокочастотной намагниченности под выходными антеннами Out1 и Out2 соответственно в мажоритарном ключе с использованием опорного сигнала.

• Дудко Г.М., Кожевников А.В., Сахаров В.К., Селезнев М.Е., Хивинцев Ю.В., Никулин Ю.В., Высоцкий С.Л., Филимонов Ю.А., Никитов С.А., Khitun А. Микромагнитное моделирование логического ключа большинства на основе интерференции каустик спиновых волн // ЖТФ. – 2022. – Т. 92, Вып. 8. – С. 1151-1158.

Экспериментально исследованы возможности применения эффекта интерференции магнитостатических волн (МСВ) для создания высокочувствительных магнитометров. Показано, что использование положительной обратной связи в интерференционном спинволновом магнитометре улучшает чувствительность на два порядка по сравнению с пассивными схемами. Установлено, что использование МСВ в условиях резонанса с упругими и обменными модами позволяет получить чувствительность ~ 250 дБ/Э.

Зависимость модуля коэффициента передачи поверхностной магнитостатической волны от величины внешнего магнитного поля на частоте 744.01 МГц (в условиях магнитоупругого резонанса) при распространении двух интерферирующих волн (кривая 1) и одной (кривая 2).

• Balinskiy M., Chiang H., Kozhevnikov A., Filimonov Y., Balandin A.A., Khitun A. A spin-wave magnetometer with a positive feedback // J. Magn. Magn. Mater. – 2020. – V. 514. – 167046.
• Высоцкий С.Л., Кожевников А.В., Филимонов Ю.А. Интерференция магнитоупругих волн в пленке железо-иттриевого граната // ФТТ. – 2021. – Т. 63, Вып. 9. – С. 1258-1262.
• Vysotskii S., Kozhevnikov A., Balinskiy M., Khitun A., Filimonov Y. Giant sensitivity to magnetic field variation in the spin wave interferometer based on the system of exchange-coupled films of yttrium iron garnet // J. Appl. Phys. – 2022. – 084504

Экспериментально продемонстрирована возможность генерации коротких обменных спиновых волн (ОСВ) ступенькой толщины ферритового волновода при микроволновой накачке. С помощью бриллюэновской спектроскопии и микромагнитного моделирования показано, что эффективность генерации ОСВ, вызванная рассеянием поверхностной магнитостатической волны на ступеньке толщины, увеличивается с ростом частоты (или волнового числа), тогда как для случая однородной накачки эффективность генерации демонстрирует противоположное поведение.

Схема эксперимента по генерации ОСВ поверхностной магнитостатической волной (a) и однородной накачкой (b). Результаты микромагнитного моделирования при полях подмагничивания 300 (a) и 400 Э (b) на частоте 2.8 ГГц, что отвечает распространению поверхностной магнитостатической волны и однородной накачке, соответственно.

• Vysotskii S.L., Sadovnikov A.V., Dudko G.M., Kozhevnikov A.V., Khivintsev Y.V., Sakharov V.K., Novitskii N.N., Stognij A.I., Filimonov Y.A. Spin-waves generation at the thickness step of yttrium iron garnet film // Appl. Phys. Lett. – 2020. – V. 117, Issue 10. – 102403

Экспериментально исследовано влияние упругих деформаций на спектр ферромагнитного резонанса субмикронных пленок железоиттриевого граната (ЖИГ), полученных ионно-лучевым распылением на подложках гадолиний-галлиевого граната (ГГГ), кремния (Si) и арсенида галлия (GaAs). Определены константы магнитострикции (B2) для таких пленок ЖИГ, которые составили соответственно ~ 66 (на ГГГ), 20 (на Si) и 16% (на GaAs) от значений характерных для пленок ЖИГ, выращенных жидкофазной эпитаксией.

a, b – схематическое изображение конструкции макета (1 – образец пленки ЖИГ, 2 – опоры, 3 – микрополосковая линия передачи); c –частотная зависимость коэффициента передачи для структур ЖИГ/Si (кривая 1) и ЖИГ/GaAs (кривая 2), d – зависимость резонансной частоты от веса груза для пленок ЖИГ/Si (кривая 1), ЖИГ/GaAs (кривая 2) и ЖФЭ пленки ЖИГ (кривая 3) при поле подмагничивания 1 кЭ.

• Высоцкий С.Л., Хивинцев Ю.В., Кожевников А.В., Сахаров В.К., Филимонов Ю.А., Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Никитов С.А. Влияние деформаций на спектр ферромагнитного резонанса субмикронных пленок ЖИГ, полученных ионно-лучевым распылением // РЭ. – 2019. – Т. 64, №12. – С. 1202-1211
• Высоцкий С.Л., Никулин Ю.В., Кожевников А.В., Хивинцев Ю.В., Сахаров В.К., Джумалиев А.С., Филимонов Ю.А., Стогний А.И., Никитов C.А. Магнитоупругие свойства пленок железо-иттриевого граната, полученных ионно-лучевым распылением на подложках Si и GaAs // ЖТФ. – 2020. – Т. 90, Вып. 7. – С. 1221-1226

Экспериментально и теоретически исследовано распространение спиновых волн в пленке железоиттриевого граната, нагруженной декорациями из никелевой пленки. Показано, что выбором геометрии декораций можно управлять затуханием и формировать волновые пучки спиновых волн.

Результаты микромагнитного моделирования: мгновенное распределение высокочастотной составляющей намагниченность в свободной пленке ЖИГ (a) и с декорациями из никеля (b-e) на частоте 5.95 GHz при поле подмагничивания 1322 Э. Жирные горизонтальные линии показывают положение микроантенн, тонкие линии – границы декораций из никеля.

• Хивинцев Ю.В., Дудко Г.М., Сахаров В.К., Никулин Ю.В., Филимонов Ю.А. Распространение спиновых волн в микроструктурах на основе пленок железоиттриевого граната, декорированных ферромагнитным металлом // ФТТ. – 2019. – Т. 61, вып. 9. – С. 1664-1671