Прокопенко Олександр Володимирович . Мікрохвильові властивості спінтронних магнітних наноструктур та пристроїв НВЧ на їх основі

Краткое описание

Прокопенко Олександр Володимирович . Назва дисертаційної роботи: "Мікрохвильові властивості спінтронних магнітних наноструктур та пристроїв НВЧ на їх основі"

Мiнiстерство освiти i науки України
Київський нацiональний унiверситет iменi Тараса Шевченка
На правах рукопису
Прокопенко Олександр Володимирович
УДК 537.6/.8, 537.86/.87
Мiкрохвильовi властивостi спiнтронних магнiтних
наноструктур та пристроїв НВЧ на їх основi
01.04.03 — радiофiзика
Дисертацiя на здобуття наукового ступеня
доктора фiзико-математичних наук
Науковий консультант
Мелков Геннадiй Андрiйович,
доктор фiз.-мат. наук, професор
Київ — 2015
2
ЗМIСТ
Перелiк умовних позначень 8
Вступ 9
Роздiл 1. Огляд лiтератури 28
1.1. Фiзичнi принципи роботи та основнi характеристики спiнтронних
магнiтних наноструктур (СМНС) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.1. Основи магнiтної спiнтронiки . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
1.1.2. Магнiторезистивний ефект та спiнова поляризацiя . . . . . 30
1.1.3. Ефект переносу спiнового магнiтного моменту електричним струмом . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34
1.1.4. Типи та основнi характеристики СМНС . . . . . . . . . . . 37
1.2. Синхронiзацiя спiнтронних магнiтних наноструктур . . . . . . . . 39
1.2.1. Синхронiзацiя СМНС, зв’язаних через спiновi хвилi . . . . 43
1.2.2. Синхронiзацiя СМНС, зв’язаних через поле . . . . . . . . . 46
1.2.3. Синхронiзацiя СМНС, зв’язаних через струм . . . . . . . . 48
1.3. Генерацiя НВЧ сигналiв спiнтронними магнiтними наноструктурами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
1.3.1. Генератори НВЧ на основi СМНС з одним вiльним магнiтним шаром (ВМШ) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50
1.3.2. Генератори НВЧ на основi СМНС з двома ВМШ . . . . . . 57
1.3.3. Генератори НВЧ на основi СМНС з вихровим станом ВМШ 61
1.4. Детектування НВЧ сигналiв спiнтронними магнiтними наноструктурами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
1.4.1. Резонанснi детектори НВЧ сигналiв . . . . . . . . . . . . . 65
1.4.2. Нерезонанснi детектори НВЧ сигналiв . . . . . . . . . . . . 69
3
1.5. Пристрої НВЧ на основi СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
1.6. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
Роздiл 2. Динамiчнi стани та взаємна фазова синхронiзацiя у масивах спiнтронних магнiтних наноструктур 75
2.1. Взаємна фазова синхронiзацiя двох спiнтронних магнiтних наноструктур (СМНС) з урахуванням запiзнення сигналу зв’язку . . . 75
2.1.1. Аналiтична теорiя взаємної фазової синхронiзацiї двох
СМНС, зв’язаних через спiновi хвилi . . . . . . . . . . . . . 75
2.1.2. Взаємна фазова синхронiзацiя двох, майже iдентичних,
СМНС з детермiнованими власними параметрами . . . . . 80
2.1.3. Числовий аналiз взаємної фазової синхронiзацiї двох
СМНС з випадковими власними параметрами . . . . . . . 90
2.2. Синхронiзацiя двох СМНС, зв’язаних через мiкрохвильове дипольне поле . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.2.1. Явище внутрiшньої нестабiльностi синхронiзованого стану
СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2.2.2. Вузькосмуговий та широкосмуговий режими синхронiзацiї
СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.3. Динамiчнi стани та взаємна фазова синхронiзацiя багатьох СМНС 103
2.3.1. Метод оцiнки ефективностi взаємної фазової синхронiзацiї
кiлькох СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
2.3.2. Взаємна фазова синхронiзацiя трьох СМНС . . . . . . . . 105
2.3.3. Взаємна фазова синхронiзацiя чотирьох та бiльше СМНС . 107
2.4. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Роздiл 3. Генерацiя дипольного випромiнювання спiнтронними
магнiтними наноструктурами (СМНС). Мiкрохвильовi властивостi генераторiв дипольного випромiнювання
на основi СМНС 111
4
3.1. Генерацiя НВЧ сигналу у поодинокiй СМНС . . . . . . . . . . . . 111
3.1.1. Модель, основнi припущення та обмеження . . . . . . . . . 113
3.1.2. Типовi параметри СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
3.1.3. Дипольне випромiнювання у вiльний простiр . . . . . . . . 116
3.1.4. Вiдбiр НВЧ потужностi вiд СМНС у ближнiй зонi . . . . . 117
3.1.5. СМНС у лiнiях передачi НВЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
3.1.6. СМНС у резонаторах НВЧ . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
3.2. Мiкрохвильовi властивостi генераторiв НВЧ сигналiв на основi
поодиноких СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131
3.3. Мiкрохвильовi властивостi генераторiв НВЧ сигналiв на основi
масивiв синхронiзованих СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3.1. Загальний розгляд задачi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
3.3.2. Врахування впливу масиву СМНС на мiкрохвильовi властивостi генератора дипольного випромiнювання . . . . . . 139
3.4. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
Роздiл 4. Генерацiя НВЧ сигналiв у спiнтронних магнiтних наноструктурах з двома вiльними магнiтними шарами 147
4.1. Динамiка намагнiченостi у спiнтронних магнiтних наноструктурах (СМНС) з двома вiльними магнiтними шарами (ВМШ) . . . 147
4.1.1. Будова та основнi процеси у симетричнiй СМНС з двома
ВМШ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
4.1.2. Опис динамiки намагнiченостi у ВМШ СМНС . . . . . . . 150
4.1.3. Параметри спiнтронного магнiтного наноосцилятора
(СМНО) з двома ВМШ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4.2. Числове дослiдження процесу генерацiї НВЧ сигналу у СМНС з
двома вiльними магнiтними шарами . . . . . . . . . . . . . . . . . 156
4.2.1. Процедура числового моделювання . . . . . . . . . . . . . 156
4.2.2. Гiстерезисний режим роботи НВЧ генератора . . . . . . . 159
5
4.2.3. Нижнiй та верхнiй пороги генерацiї . . . . . . . . . . . . . 166
4.2.4. Збудження НВЧ сигналу у допороговому режимi роботи
генератора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.3. Аналiтична теорiя генерацiї НВЧ сигналу в СМНС з двома вiльними магнiтними шарами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 177
4.3.1. Спрощена теоретична модель СМНО з двома ВМШ . . . . 177
4.3.2. Динамiка намагнiченостi поблизу вiд верхнього порогу генерацiї . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
4.3.3. Динамiка намагнiченостi поблизу вiд нижнього порогу генерацiї . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 185
4.4. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 186
Роздiл 5. Генерацiя НВЧ сигналiв у спiнтронних магнiтних наноструктурах з вихровим станом намагнiченостi вiльного
магнiтного шару 188
5.1. Узагальнений опис динамiки намагнiченостi у спiнтронних магнiтних наноосциляторах (СМНО) з вихровим станом намагнiченостi вiльного магнiтного шару (ВМШ) . . . . . . . . . . . . . . . . 188
5.2. Мiкрохвильовi властивостi генератора НВЧ сигналiв на основi
СМНО з вихровим станом намагнiченостi ВМШ: експеримент та
теорiя . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
5.3. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 199
Роздiл 6. Резонансне детектування мiкрохвильових сигналiв за
допомогою спiнтронних магнiтних наноструктур 200
6.1. Аналiтична теорiя шумових властивостей резонансного квадратичного детектора на основi СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . 200
6.1.1. Модель та процедура теоретичного аналiзу . . . . . . . . . 200
6.1.2. Вплив НВЧ сигналу на намагнiченiсть ВМШ детектора . . 203
6.1.3. Уточнення моделi на випадок планарного детектора . . . . 207
6
6.1.4. Вплив зовнiшнього НВЧ сигналу на опiр детектора . . . . 207
6.1.5. Низькочастотний вихiдний сигнал та шум планарного детектора . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 209
6.2. Мiкрохвильовi властивостi резонансного квадратичного детектора на основi СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 214
6.2.1. Типовi параметри планарного спiнтронного магнiтного мiкрохвильового детектора (СММД) . . . . . . . . . . . . . . 214
6.2.2. Спрощенi вирази для опису шумових властивостей планарного СММД з типовими параметрами . . . . . . . . . . . . 215
6.2.3. Мiкрохвильовi властивостi СММД в областi кiмнатних
температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 216
6.2.4. Мiкрохвильовi властивостi СММД в областi крiогенних
температур . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 223
6.3. Оптимiзацiя параметрiв резонансного детектора на основi СМНС 233
6.3.1. Оптимiзацiя резонансної вольт-ватної чутливостi та спiввiдношення сигнал/шум СММД . . . . . . . . . . . . . . . 234
6.3.2. Оптимiзацiя порогу чутливостi СММД . . . . . . . . . . . 236
6.4. Детектування НВЧ сигналiв у пристроях на основi масивiв СМНС 240
6.5. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 244
Роздiл 7. Нерезонансне детектування мiкрохвильових сигналiв
за допомогою спiнтронних магнiтних наноструктур 246
7.1. Аналiтична теорiя детектування НВЧ сигналiв нерезонансним
спiнтронним магнiтним мiкрохвильовим детектором (СММД) . . 246
7.1.1. Модель та процедура теоретичного аналiзу . . . . . . . . . 246
7.1.2. Аналiтичний опис динамiки намагнiченостi . . . . . . . . . 249
7.1.3. Вихiдний сигнал нерезонансного СММД . . . . . . . . . . . 254
7.2. Мiкрохвильовi властивостi нерезонансного СММД . . . . . . . . . 255
7.2.1. Типовi параметри нерезонансного СММД . . . . . . . . . . 255
7
7.2.2. Процедура числового моделювання . . . . . . . . . . . . . 255
7.2.3. Кут прецесiї та пороговий струм . . . . . . . . . . . . . . . 256
7.2.4. Вихiдний сигнал нерезонансного СММД. Порiвняння мiкрохвильових властивостей резонансного та нерезонансного СММД . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 258
7.3. Деякi застосування нерезонансних мiкрохвильових детекторiв на
основi СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 263
7.3.1. Вiдбiр енергiї вiд паразитних НВЧ сигналiв . . . . . . . . . 263
7.3.2. Порогове детектування модульованих сигналiв . . . . . . . 266
7.4. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 269
Роздiл 8. Елементи пристроїв НВЧ на основi спiнтронних магнiтних наноструктур 272
8.1. Планарнi антени для пристроїв на основi СМНС . . . . . . . . . . 272
8.2. Невзаємнi пристрої НВЧ на основi ґраток СМНС . . . . . . . . . 276
8.3. Iнтерференцiйнi ефекти та кореляцiйна обробка iнформацiї у магнiтних плiвках та масивах СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
8.3.1. Кореляцiйнi ефекти взаємодiї спiнових хвиль у плiвках
залiзо-iтрiєвого гранату . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 280
8.3.2. Iнтерференцiйнi ефекти та взаємодiя спiнових хвиль у масивах СМНС . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 281
8.4. Висновки до роздiлу . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 289
Висновки 291
Список використаних джерел 295
8

Список литературы

ВИСНОВКИ
1. Розроблено теоретичну модель взаємної фазової синхронiзацiї (ВФС) двох
спiнтронних магнiтних наноструктур (СМНС), яка враховує явище запiзнення
сигналу зв’язку (СЗ). Встановлено, що iснує оптимальне значення фазового
зсуву СЗ та оптимальне значення вiдстанi мiж СМНС l, а ширина смуги ВФС
СМНС ∆ω суттєво перевищує аналогiчну величину для iзохронних систем, проте рiзко зменшується зi збiльшенням вiдстанi l. Встановлено, що ефективнiсть
синхронiзацiї двох, майже однакових, СМНС з випадковими власними частотами суттєво погiршується при характерному розкидi частот близько 30%. Виявлено, що синхронiзованим СМНС притаманне явище внутрiшньої «нестабiльностi» та проаналiзовано особливостi рiзних режимiв синхронiзацiї СМНС: вузькосмугового, де ∆ω ≃ 2π · 100 МГц, та широкосмугового, де ∆ω ≃ 2π · 1 ГГц.
Показано, що синхронiзований стан симетричної системи з 3-х та бiльше, майже
однакових, СМНС може бути описаний за допомогою моделi для двох СМНС,
але iз замiною амплiтуди та фази СЗ на їх деякi ефективнi значення.
2. Розроблено теорiю генераторiв дипольного випромiнювання (ГДВ) на
основi СМНС та їх масивiв i показано, що вихiдна потужнiсть таких генераторiв Pout визначається потужнiстю коливань намагнiченостi, добротнiстю НВЧ
системи та вiдношенням об’єму вiльного магнiтного шару (ВМШ) СМНС до
деякого ефективного об’єму НВЧ системи. Проiлюстровано, що ефективною
системою для побудови ГДВ є смужковий резонатор з добротнiстю 103
, шириною смужок 10 мкм i вiдстанню мiж ними 50 нм, де можна досягти характерного рiвня НВЧ потужностi Pout ≃ 4.2 пВт за частоти генерацiї f0 = 10 ГГц.
Встановлено, що за умови використання у ГДВ СМНС з достатньо високими
робочими частотами f0 , сумiрними з характеристичною частотою системи fc
(fc ≃ 154 ГГц для ГМО структур i fc ≃ 4883 ГГц для ТМО структур), або до-
292
статньо великої кiлькостi синхронiзованих СМНС N, дипольний механiзм вiдбору потужностi вiд СМНС може бути бiльш ефективним за традицiйний. Визначено, що для практичних систем з прийнятними параметрами ГДВ можуть
мати переваги над традицiйними генераторами на основi ГМО СМНС тiльки
за умови використання невеликих масивiв синхронiзованих СМНС (N . 100) з
дуже високими робочими частотами (f0 & 100 ГГц).
3. Встановлено, що у режимi роботи СМНС з двома ВМШ, коли намагнiченостi обох ВМШ прецесують у протилежних напрямках, на графiку залежностi частоти генерацiї fg(Jdc) вiд густини керуючого сталого струму Jdc виникає сильний гiстерезис. Розроблено аналiтичну теорiю динамiки намагнiченостi
в таких системах i встановлено, що нижнiй порiг гiстерезису має дисипативну природу, а верхнiй порiг обумовлений наявнiстю диполь-дипольного зв’язку
мiж намагнiченостями ВМШ i може бути контрольованим за рахунок вибору
геометричних розмiрiв системи. Виявлена гiстерезисна поведiнка наногенератора на основi СМНС з двома ВМШ передбачає можливiсть переведення робочої
точки системи з прямої на зворотну гiлку гiстерезису за рахунок прикладання
до СМНС сильного та короткого початкового iмпульсу керуючого струму.
4. Удосконалено аналiтичну теорiю генерацiї НВЧ сигналiв у спiнтронних
магнiтних наноосциляторах (СМНО) на випадок наноструктур з вихровим станом намагнiченостi ВМШ (вихрових СМНО). Доведено, що теорiя неiзохронних СМНО – теорiя Славiна–Тиберкевича (СТ) [253] – може бути успiшно застосована для кiлькiсного опису динамiки намагнiченостi у вихрових СМНО i
показано, що теоретичнi оцiнки динамiчних параметрiв таких систем, зробленi, виходячи з теорiї СТ, узгоджуються з даними експерименту. Встановлено,
що сильна неiзохроннiсть вихрових СМНО приводить до нетипової лiнiйної залежностi ширини смуги генерацiї ∆fn гармонiк гiротропної моди вiд номеру
гармонiки n, а також до того, що за кiмнатних температур ширина смуги генерацiї основної гармонiки ∆f1 практично не залежить вiд керуючого сталого
струму Idc у закритичному режимi роботи генератора.
293
5. Розроблено аналiтичну теорiю шумових властивостей пасивних резонансних спiнтронних магнiтних мiкрохвильових детекторiв (СММД) i встановлено,
що iснують два режими їх роботи. Перший режим вiдповiдає досить високим
частотам i малим потужностям Prf вхiдного сигналу, коли спiввiдношення сигнал/шум детектора SNR ∼ Prf i обмежується переважно низькочастотним
шумом Джонсона–Найквiста. В iншому режимi роботи, який реалiзується за
малих частот та великих потужностей сигналу, SNR ∼
√
Prf i обмежується переважно магнiтним шумом. Запропоновано методику експериментального визначення коефiцiєнта спiнової поляризацiї η СМНС, виходячи з вимiрiв величини
SNR(Prf). Показано, що мiкрохвильовi властивостi СММД суттєво змiнюються
зi змiною температури, причому зi зменшенням температури характеристики
СММД можуть погiршуватись. Встановлено, що для детекторiв з типовими
параметрами мiнiмальне значення порогу чутливостi СММД досягається при
радiусi СМНС ropt ≃ 100 нм на частотi fopt ≃ 5 ГГц. Запропоновано методику
визначення частоти зовнiшнього монохроматичного НВЧ сигналу для масиву з
двох незалежних СММД, яка дозволяє зменшити похибку визначення частоти.
6. Теоретично дослiджено ефект нерезонансного детектування НВЧ випромiнювання у СММД i показано, що СММД може працювати як пороговий детектор низькочастотних НВЧ сигналiв, а залежнiсть вихiдної сталої напруги
детектора Udc вiд амплiтуди НВЧ струму Irf має сходинкоподiбний вигляд. Показано, що подiбнi системи можуть працювати як пристрої перетворення енергiї
НВЧ коливань на енергiю сталого струму з коефiцiєнтом перетворення енергiї
ζdc,rf ≈ 3.5% для поодиноких СММД та ζdc,rf ≈ 20 − 40% для масивiв СММД.
Проiлюстровано, що залежностi вихiдної напруги детектора вiд амплiтуди та
частоти вхiдного сигналу є гiстерезисними, причому керувати цим гiстерезисом
можна за рахунок змiни поля пiдмагнiчування. Встановлено, що за умови, що
робоча точка СММД знаходиться в областi гiстерезису, вiн може працювати як
детектор слабких амплiтудно-модульованих НВЧ сигналiв.
7. Показано, що планарнi НВЧ антени з вбудованими у них СМНС мають
294
коефiцiєнт пiдсилення 6 2.5 i дозволяють проводити просторову фiльтрацiю
НВЧ сигналiв певної частоти. Встановлено, що коефiцiєнт затухання колективних спiнових хвиль (СХ) у магнонних кристалах на основi ґраток СМНС має
суттєво рiзну величину для прямої та зворотної хвиль, що дозволяє отримати
коефiцiєнт невзаємного затухання κ суттєво бiльший за погоннi втрати однiєї з СХ: для кристалу на основi двох однакових змiщених прямокутних ґраток
СМНС κ ≃ 30 дБ/мкм у дiапазонi частот ≃ 8−9 ГГц. Теоретично та числовими
методами показано високу ефективнiсть кореляцiйного методу обробки iнформацiї у плiвках Y3Fe5O12, i проведено адаптацiю вiдповiдної моделi для масивiв
СММД зi спiльним ВМШ. Показано, що мiкрохвильовi властивостi таких систем зручно характеризувати власною ζj,j та взаємною ζj,n СХ чутливостями i
встановлено, що поведiнка ζj,n має типовий iнтерференцiйний характер: iснують
оптимальна вiдстань мiж СММД та частотна розстройка, за яких взаємозв’язок
мiж СММД є або максимальним, або, навпаки, мiнiмальним.