Мойсеєнко Владислав Анатолійович. НЕРЕЗОНАНСНЕ ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ СПІНОВИХ ХВИЛЬ ТА КОРЕЛЯЦІЙНА ОБРОБКА ІНФОРМАЦІЇ В ПЛІВКАХ ЗАЛІЗО-ІТРІЄВОГО ГРАНАТУ

Краткое описание

Мойсеєнко Владислав Анатолійович. Назва дисертаційної роботи: "НЕРЕЗОНАНСНЕ ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ СПІНОВИХ ХВИЛЬ ТА КОРЕЛЯЦІЙНА ОБРОБКА ІНФОРМАЦІЇ В ПЛІВКАХ ЗАЛІЗО-ІТРІЄВОГО ГРАНАТУ"

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Київський національний університет імені Тараса Шевченка
На правах рукопису
МОЙСЕЄНКО ВЛАДИСЛАВ АНАТОЛІЙОВИЧ
УДК 537.86, 537.87, 537.871.7
НЕРЕЗОНАНСНЕ ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ СПІНОВИХ
ХВИЛЬ ТА КОРЕЛЯЦІЙНА ОБРОБКА ІНФОРМАЦІЇ В ПЛІВКАХ ЗАЛІЗОІТРІЄВОГО ГРАНАТУ
01.04.03 - радіофізика
Дисертація на здобуття наукового ступеня
кандидата фізико-математичних наук
Науковий керівник
ПРОКОПЕНКО Олександр Володимирович
доктор фізико-математичних наук, доцент
Київ –– 2016
2
ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ .................................................................. 4
ВСТУП .................................................................................................................... 5
РОЗДІЛ 1
ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРИ......................................................................................... 14
1.1. Збудження та поширення спінових хвиль у феритових плівках..... 14
1.2. Параметрична взаємодія магнітостатичних хвиль із зовнішнім
електромагнітним накачуванням. Обернення хвильового фронту
спінових хвиль ..................................................................................... 24
1.3. Спін-хвильові конвольвери і корелятори НВЧ діапазону ............... 31
РОЗДІЛ 2
ОПИС ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЇ УСТАНОВКИ ТА МЕТОДИКИ
ДОСЛІДЖЕНЬ ..................................................................................................... 41
2.1. Експериментальна установка для дослідження нелінійної та
параметричної взаємодії спінових хвиль ...........................................41
2.2. Макет експериментальної секції. Методика експериментальних
досліджень ....................................................................................…... 53
2.3. Збудження магнітостатичних хвиль мікросмужковими
антенами ............................................................................................... 60
РОЗДІЛ 3
НЕРЕЗОНАНСНЕ ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ ......................... 67
3.1. Мікрохвильова фільтрація та спектральний аналіз за допомогою
нерезонансного обернення хвильового фронту ............................... 67
3.2. Розділення сигналів зворотних об’ємних магнітостатичних хвиль за
допомогою електромагнітного накачування..................................... 78
3.3. Конверсія частоти при оберненні хвильового фронту спінових
хвиль у анізотропних середовищах ................................................... 85
3.4. Параметричне перетворення частоти сигналу ПМСХ на керовану
магнітним полем проміжну частоту................................................... 96
3
РОЗДІЛ 4
КОРЕЛЯЦІЙНЕ ВИДІЛЕННЯ СИГНАЛІВ З РІВНЯ ШУМУ ЗА
ДОПОМОГОЮ ОБЕРНЕННЯ ХВИЛЬОВОГО ФРОНТУ СПІНОВИХ
ХВИЛЬ ................................................................................................................ 100
4.1 Кореляційний приймач на базі параметричної взаємодії зустрічних
сигналів спінових хвиль у магнітних плівках ................................ 100
4.2 Кореляційний приймач з оберненням хвильового фронту магнітостатичних хвиль ................................................................................. 116
4.3 Магнітостатичний корелятор НВЧ сигналів з внутрішнім
оберненням хвильового фронту спінових хвиль ………………….122
4.4 Звуження та розширення сигналів за допомогою кореляції імпульсів
магнітостатичних хвиль .................................................................... 128
4.5 Дослідження спектрів МСХ у тонких плівках ЗІГ за допомогою
нелінійної взаємодії спінових хвиль ............................................... 133
ВИСНОВКИ ....................................................................................................... 139
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ ......................................................... 142
4
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ
ДОСХ дипольно-обмінна спінова хвиля
ЗІГ залізо-ітрієвий гранат
ЗОМСХ зворотна об’ємна магнітостатична хвиля
АЛЗ активна лінія затримки
ПЛЗ пасивна лінія затримки
МСХ магнітостатична хвиля
НВЧ надвисока частота
ОХФ обернення хвильового фронту
ОП однорідна прецесія
ПМСХ поверхнева магнітостатична хвиля
СХ спінова хвиля
ФМР феромагнітний резонанс
ВДР відкритий діелектричний резонатор
5
ВСТУП
Новий поштовх у розвитку НВЧ електроніки почався після
створення фериту з унікальними характеристиками – залізо-ітрієвого
гранату. Таке унікальне середовище дозволяє досліджувати
найрізноманітніші нелінійні процеси: від генерації другої гармоніки до
бозе-ейнштейнівської конденсації газу магнонів. Водночас із розвитком
сучасних інформаційних технологій невпинно ростуть вимоги до
мікромінітюаризації, енергозбереження та збільшення швидкодії таких
систем. Розвиток функціональної електроніки й пошук нових фізичних
процесів та середовищ для обробки та передачі високочастотної інформації з
використанням складних багатомодових нелінійних систем, наприклад
спінових, є досить перспективним шляхом розв’язку поставлених задач.
Для збудження таких багатомодових нелінійних магнітних систем
використовують, переважно, зовнішнє електромагнітне накачування
завдяки максимальній ефективності передачі НВЧ енергії у магнонну
систему. Таке накачування часто називають параметричним, що веде
свій початок від параметричних систем, де введення енергії у систему
відбувається двічі за період коливання, в даному випадку – за період
прецесії магнітного моменту.
З використанням параметричної взаємодії лінійних та нелінійних
спінових хвиль з паралельним накачуванням можна реалізувати цілий
ряд операцій з обробки сигналів: регенеративне підсилення, керовану
активну лінію затримки, генерацію оберненого фазовоспряженого
сигналу, часову інверсію імпульсів, стиснення сигнального імпульсу в
часі, конволюцію, кореляційну обробку вхідних сигналів тощо. На даний
час вже було теоретично та експериментально досліджено резонансний
випадок обернення хвильового фронту зворотних об’ємних
магнітостатичних хвиль, поверхневих магнітостатичних хвиль і
дипольно-обмінних спінових хвиль у шестисантиметровому діапазоні
6
довжин хвиль з використанням все того ж повздовжнього
параметричного накачування.
Проте залишився непоміченим і недослідженим випадок
нерезонансного обернення хвильового фронту, коли частота
взаємодіючих хвиль не дорівнює половині частоти накачування. Тобто
коли енергія накачування передається неповністю і переважно за
рахунок спектральних компонент накачування. Винайдення способу
використання нерезонансного обернення хвильового фронту може
дозволити перетворити негативні сторони нестабільності частоти в
електронних системах на позитивні (спектральний аналіз, мікрохвильова
фільтрація тощо) та суттєво покращити характеристики вже існуючих
систем обробки інформації (нерезонансне кореляційне виділення
корисних сигналів з рівня шуму).
Якщо згадати, що на основі залізо-ітрієвого гранату можливо
створювати цілі масиви наноструктур та окремі магнітні наноконтакти,
то викладені вище міркування породжують в десятки разів більшу
кількість задач, які необхідно вирішити для побудови систем
магнітоелектроніки.
Таким чином, у дисертації запропоновано застосовувати метод
параметричної взаємодії магнітостатичних хвиль з електромагнітним
накачуванням, коли частота взаємодіючих інформаційних хвиль не
дорівнює половині частоти накачування. Цей підхід дозволяє розширити
можливості всіх перерахованих вище операцій з використанням
параметричної взаємодії лінійних та нелінійних спінових хвиль.
Зважаючи на все вищесказане, магнітовпорядковані кристали залізоітрієвого гранату є перспективними матеріалами для систем прийому,
передачі та обробки інформації в НВЧ діапазоні довжин хвиль.
Актуальність досліджень необхідністю розробки та створення
нового покоління систем обробки, збереження, передачі та прийому
інформації з покращеними характеристиками на базі нових фізичних
7
явищ. Одним з підходів до розв’язання таких задач є створення
швидкодіючих енергоефективних інформаційних систем на основі
магнітних функціональних матеріалів. Змінюючи напрямок
елементарних магнітних моментів у таких матеріалах, можна помітно
змінювати їх магнітні та електричні властивості. Відповідні ідеї є
базовими для ряду новітніх напрямів у фізиці та електроніці, зокрема
для спінтроніки, магноніки, спін-орбітроніки тощо.
Одним з найкращих функціональних матеріалів для магноніки є
залізо-ітрієвий гранат (ЗІГ). ЗІГ, вирощений методом епітаксії, має
рекордно низьке значення параметра затухання в сантиметровому
діапазоні довжин хвиль. На його основі були розроблені такі нелінійні
прилади, як обмежувачі потужності НВЧ сигналів, придушувачі шумів,
регенеративні підсилювачі, активні та пасивні лінії затримки тощо.
Притаманні ЗІГ сильно виражені нелінійні властивості (деякі нелінійні
ефекти проявляються вже за потужностей вхідного НВЧ сигналу близько
1 мкВт) роблять його незамінним матеріалом для реалізації нелінійних
пристроїв магноніки.
Дослідження лінійної та нелінійної динаміки спінових хвиль (СХ)
у тонких плівках ЗІГ дозволяє запропонувати на основі відповідних
фізичних ефектів низку нових пристроїв для систем передачі, обробки та
прийому інформації в сантиметровому діапазоні довжин хвиль, а також
покращити характеристики вже існуючих пристроїв. Одним з цікавих
явищ, що відбуваються в таких системах, є явище обернення хвильового
фронту (ОХФ), відоме із загальної фізики для хвиль довільної природи.
На сьогоднішній день добре дослідженим є випадок так званого
резонансного ОХФ СХ у плівках ЗІГ, коли частоти прямої та зворотної
СХ співпадають. Проте досі залишився не вивченим випадок
нерезонасного ОХФ, що реалізується у випадку невиродженого
параметричного підсилювача. Частотні ефекти, що виникають при
використанні нерезонансного ОХФ, можна застосувати в пристроях
8
магноніки. Зокрема виявляється перспективним використання явища
нерезонасного ОХФ для створення приладів кореляційної обробки
інформації з покращеними характеристиками – з підвищеною
ефективністю виділення сигналів з рівня шуму, з одночасним
виконанням додаткових операцій, наприклад кодуванням сигналу, його
перевіркою на завадостійкість тощо.
Таким чином, актуальність дисертаційної роботи обумовлена
необхідністю вивчення фізики нерезонансного ОХФ СХ у плівках ЗІГ, а
також дослідження можливості використання цього явища для створення
різноманітних пристроїв магнітної електроніки НВЧ. Важливо також те,
що основні результати, отримані в дисертаційній роботі, досить легко
перенести в інші області прикладної фізики, зважаючи лише на
специфіку частотного діапазону та властивості матеріалів.
Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами.
Роботу над дисертацією виконано в Київському національному
університеті імені Тараса Шевченка в рамках держбюджетних науководослідних робіт 06БФ052-01 «Фундаментальні основи новiтнiх та
ресурсозберігаючих технологій на основі радiофiзики та електроніки»
(№ держреєстрацiї: 0106U006625), 11БФ052–01 «Фундаментальні основи
створення та методи дослідження нанорозмірних структур з керованими
параметрами для потреб енергокомплексу» (№держреєстрацiї 0111U006169).
Дослідження також підтримувались Науково-технологічним центром в
Україні (Science and Technology Center in Ukraine) проект №3066 «Нелінійний
мікрохвильовий процесор на основі залізо-ітрієвого гранату (ЗІГ)».
Метою роботи є експериментальне дослідження нерезонансного
обернення хвильового фронту спінових хвиль у тонких плівках залізоітрієвого гранату. Об’єктом дослідження був процес параметричної
взаємодії спінових хвиль з параметричним електромагнітним
накачуванням у випадку, коли частота сигналу відрізняється від
половини частоти накачування. За безпосередній предмет досліджень
9
було вибрано сигнали обернення хвильового фронту зворотних об’ємних
магнітостатичних хвиль (ЗОМСХ) та поверхневих магнітостатичних
хвиль (ПМСХ).
У роботі розв’язувалися наступні задачі:
1. Експериментальне дослідження нерезонансного ОХФ МСХ у
плівках ЗІГ. Виявлення та вивчення можливості мікрохвильової
фільтрації та спектрального аналізу вхідних сигналів.
2. Дослідження можливості розділення сигналів ЗОМСХ, що
одночасно потрапили на реєструючий пристрій, за допомогою
електромагнітного накачування змінної частоти. Розробка
ефективної числової моделі для моделювання процесу розділення
сигналів та експериментальне дослідження величини зовнішнього
магнітного поля, що відповідає граничній частоті спектра МСХ,
за допомогою нелінійної взаємодії СХ.
3. Експериментальне вивчення параметричного перетворення
частоти сигналу ПМСХ на керовану магнітним полем проміжну
частоту при сталій частоті гетеродину. Дослідження явища ОХФ
в умовах анізотропної дисперсії спектра ПМСХ.
4. Розробка та експериментальне вивчення кореляційного приймача
на базі параметричної взаємодії зустрічних сигналів СХ у тонких
магнітних плівках ЗІГ та кореляційного приймача з
використанням резонансного та нерезонансного ОХФ СХ.
Методи дослідження:
1. Метод параметричної взаємодії СХ з електромагнітним
накачуванням при виявленні та дослідженні нерезонансного ОХФ
у плівках ЗІГ.
2. Метод параметричної взаємодії спінових хвиль між собою при
дослідженні злиття магнонів з утворенням нових квазічастинок.
3. Метод мікрохвильової фільтрації при дослідженні розділення
сигналів, що одночасно потрапили на реєструючий пристрій.
10
4. Методи числового розв’язку систем диференціальних рівнянь при
дослідженні роботи кореляційного приймача на базі плівок ЗІГ.
5. Метод повільних амплітуд при створенні аналітичних моделей.
Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що в
роботі уперше:
1. Запропоновано та експериментально досліджено нерезонансне
ОХФ СХ з паралельним параметричним накачуванням, коли
частота сигналу не співпадає з половинною частотою
накачування. Показано можливість спектрального аналізу
вхідних сигналів та мікрохвильової фільтрації з використанням
нерезонансного ОХФ ЗОМСХ у плівках ЗІГ.
2. Експериментально доведено можливість розділення двох
мікрохвильових сигналів, що одночасно діють на детектор, з
використанням нерезонансного ОХФ ЗОМСХ.
3. Виявлено параметричне перетворення частоти сигналу ПМСХ
на керовану магнітним полем проміжну частоту, як результат
ОХФ у невзаємному середовищі.
4. Експериментально досліджено кореляційний приймач НВЧ
сигналів на базі параметричної взаємодії СХ з паралельним
параметричним накачуванням. Запропоновано використовувати
ОХФ СХ для створення обернених у часі сигнальних імпульсів.
За допомогою нерезонансного ОХФ вивчено вплив шумових
сигналів на роботу корелятора. Розроблено ефективну числову
модель для розрахунку часових профілів сигналу кореляції.
5. Запропоновано методику для експериментального дослідження
спектрів СХ у тонких плівках ЗІГ товщиною 5,1 мкм, 6,8 мкм,
7,1 мкм, 20,4 мкм та 30,3 мкм за допомогою нелінійної
взаємодії СХ. Встановлено, що дана методика дозволяє
знаходити величину зовнішнього магнітного поля, що
відповідає граничній частоті спектра МСХ.
11
Практичне значення одержаних результатів полягає в тому, що
уперше показано можливість використання нерезонансного ОХФ СХ у
плівках ЗІГ, що відкриває нові можливості для побудови нових і модернізації
існуючих систем передачі, прийому та обробки інформації.
Нерезонансне ОХФ СХ дозволило виконувати декілька нових операцій
над інформаційними сигналами, такі як: вузькосмугова фільтрація, селекція
вхідних сигналів за частотою з наступним розділенням їх у часі,
спектральний аналіз.
Кореляційний приймач на основі плівки ЗІГ, який дозволяє провести
ефективне виділення сигналів з рівня шуму, є перспективним для
використання у системах захисту інформації. За відсутності такого
корелятора приймач може виділяти корисну інформацію з вхідного
зашумленого сигналу лише на несучій частоті, а за допомогою даного
корелятора ця операція може бути реалізована на довільній частоті в межах
деякої робочої смуги частот пристрою. В роботі запропоновано декілька
важливих технічних рішень, що дозволяють використовувати лише одну
антену для вхідних та вихідних сигналів, а також використовувати корелятор
в умовах, коли частота вхідного сигналу відрізняється від частоти
накачування. Вперше було запропоновано методику для дослідження
спектрів МСХ на основі такого корелятора.
Особистий внесок здобувача. Особистий внесок автора в отриманні
представлених у дисертації наукових результатів полягає в проведенні всіх
наведених в роботі експериментальних досліджень, написанні програм для
числових розрахунків та моделювання, обговоренні отриманих результатів та
підготовці текстів статей і тез доповідей. У роботах, опублікованих у
співавторстві, особисто дисертанту належить: [1, 23] – розробка аналітичної
теорії ОХФ в анізотропних середовищах, виявлення та проведення
експериментальних досліджень конверсії частоти та параметричного
перетворення частоти; [2, 6, 8, 9, 13-16, 19] – числове моделювання процесів
кореляційного виділення сигналів з рівня шуму, експериментальне
12
дослідження 3-х типів кореляційних приймачів на основі плівок ЗІГ,
запропоновано декілька важливих технічних рішень, що дозволяють
використовувати лише одну антену для вхідних та вихідних сигналів, а також
використовувати корелятор в умовах, коли частота вхідного сигналу
відрізняється від частоти накачування; [3, 7, 10-12, 17, 18] –
експериментальне дослідження нерезонансного ОХФ, спектрального аналізу,
мікрохвильової фільтрації та розділення сигналів, що одночасно діють на
реєструючу систему; [4, 20, 21] – експерименталні дослідження спектрів
ПМСХ та ЗОМСХ з використанням нелінійної взаємодії зустрічних СХ у
плівках ЗІГ; [5, 22] – розробка теорії, числове моделювання процесу
збудження МСХ у плівках ЗІГ різної товщини, представлення виразів для
смуги пропускання пасивної лінії затримки на основі плівок ЗІГ для ПМСХ
та ЗОМСХ, а також експериментальне дослідження смуги пропускання
плівок ЗІГ для співставлення з даними для смуги шумового сигналу в
кореляціних приймачах.
Апробація матеріалів дисертації. Матеріали дисертації доповідались
на 15 конференціях, симпозіумах та семінарах:
1. XVII Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и
телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2007).
2. International conference «Functional Materials» (Партенит, Украина,
2007).
3. 52-nd Annual Conference on Magnetism and Magnetic Materials
(Tampa, Florida, USA, 2007).
4. VII Харківська конференція молодих вчених “Радіофізика і
електроніка” (Харків, Україна, 2007).
5. 4-я Международная молодежная научно-техническая конференция
“Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ2008” (Севастополь, Украина, 2008).
6. International Magnetic Conference (Madrid, Spain, 2008).
7. XVIII Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и
13
телекоммуникационные технологии» (Севастополь, Украина, 2008).
8. IX International Young Scientists’ Conference on Applied Physics
(Kyiv, Ukraine, 2009).
9. V International Conference “Electronics and Applied Physics” (Kyiv,
Ukraine, 2009).
10. IX Харківська конференція молодих вчених “Електромагнетизм,
фотоніка та біофізика” (Харків, Україна, 2009).
11. 6-я Международная молодежная научно-техническая конференция
“Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ2010” (Севастополь, Украина, 2010).
12. X International Young Scientists’ Conference on Applied Physics (Kyiv,
Ukraine, 2010).
13. VI International Conference “Electronics and Applied Physics” (Kyiv,
Ukraine, 2010).
14. XII International Young Scientists’ Conference on Applied Physics
(Kyiv, Ukraine, 2012).
15. VIII International Conference “Electronics and Applied Physics” (Kyiv,
Ukraine, 2012).
Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 23 роботи у
вітчизняних та закордонних виданнях: 8 статей [1-8], 15 матеріалів і тез
міжнародних конференцій [9-23]. Серед них статті в журналах “Journal of
Magnetism and Magnetic Materials”, “Journal of Physics D: Applied Physics”,
“Radioelectronics and Communications Systems”, “Вісник Київського
університету. Серія: фізико–математичні науки” та “Вісник Київського
національного університету імені Тараса Шевченка. Радіофізика та
електроніка”.
Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається зі вступу,
чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 94
посилання. Робота ілюстрована 44 рисунками і має загальний обсяг
152 сторінки.

Список литературы

ВИСНОВКИ
В даній роботі виконано експериментальне дослідження
можливості обробки мікрохвильових сигналів за допомогою
нерезонансного обернення хвильового фронту спінових хвиль, основаної
на використанні паралельного параметричного накачування. Отримано
такі наукові результати:
1. Експериментально досліджено явище нерезонансного ОХФ СХ
паралельним параметричним накачуванням, коли частота сигналу не
співпадає з половинною частотою накачування. Показано можливість
його використання для задач спектрального аналізу, мікрохвильової
фільтрації та розділення мікрохвильових сигналів у плівках ЗІГ.
Встановлено, що максимальне підсилення сигналів відбувається на
половині частоти накачування, а смуга підсилення залежить від його
потужності та тривалості. Отримано мінімальну смугу пропускання
порядку 2 МГц; вдалося реалізувати розділення імпульсних сигналів
близьких частот з різницею за несучою частотою більше 20 МГц і
монохроматичних – 2 МГц, що добре узгоджується з результатами
числового моделювання.
2. Експериментально і теоретично досліджено ОХФ параметричним
накачуванням за умов анізотропної дисперсії для випадку невзаємних
ПМСХ. Виявлено, що ОХФ можливе лише з перетворенням частоти
вниз, якщо пряма хвиля поширюється поблизу металізованої поверхні
плівки. Максимальний зареєстрований зсув частоти досягав 800 МГц.
Встановлено, що при заданому зовнішньому магнітному полі можлива
стабілізація частоти оберненого сигналу при зміні частоти вхідного
сигналу до 100 МГц.
3. Експериментально досліджено три різновиди кореляційних приймачів
НВЧ сигналів на базі параметричної взаємодії СХ і запропоновано
методику, що дозволяє використовувати лише одну антену корелятора
140
як для вхідного, так і для вихідного сигналів. Показано, що в такій
системі можна підвищити співвідношення сигнал/шум на 20 дБ.
Запропоновано методику використання ОХФ СХ для створення
обернених у часі сигнальних імпульсів.
4. Запропоновано та експериментально апробовано методику дослідження
спектрів СХ у тонких плівках ЗІГ за допомогою нелінійної взаємодії СХ.
Встановлено, що дана методика дозволяє з похибкою в 2 Е визначати
магнітне поле, що відповідає граничній частоті спектра СХ для заданої
геометрії поля.