Известия РАН. Серия физическая, 2020, T. 84, № 2, стр. 181-183

Рассеяние спиновых волн периодическими магнитными решетками, называемыми также магнонными кристаллами, было рассмотрено в ряде работ (см., например, [1, 2]). Ниже представлены экспериментальные исследования дифракции сверхнаправленного луча поверхностных спиновых волн (СВ) на слабоконтрастном магнонном кристалле.

Волны возбуждали в пленке железо-иттриевого граната (ЖИГ), а магнонный кристалл формировали локализованным пространственно-периодическим магнитным полем при помощи нескольких отрезков магнитофонной ленты, наложенных на поверхность ЖИГ впритык параллельно друг к другу. Для совмещения максимумов записанных на ленту синусоидальных сигналограмм использовали метод визуализации магнитных доменов, наведенных магнитофонной записью, основанный на фарадеевском вращении, подробно описанный в [3].

В эксперименте возбуждали луч поверхностной СВ с очень маленьким дифракционным расплыванием [4], который можно охарактеризовать как сверхнаправленный луч. Возможность возбуждения такого луча связана с наличием анизотропии у СВ, приводящей к неколлинеарным направлениям векторов фазовой и групповой скоростей. В формулу для расходимости луча входит множитель, равный производной зависимости направления групповой скорости от направления фазовой скорости. Для изотропных волн направления фазовой и групповой скоростей совпадают, поэтому этот коэффициент всегда равен единице. Для анизотропных волн зависимость становится нелинейной, и в направлении, при котором производная обращается в нуль, будет возбуждаться сверхнаправленный луч. Наличие дисперсии приводит к тому, что это направление будет зависеть еще и от частоты. Для параметров проводимого эксперимента направление с наименьшей расходимостью луча соответствует 45° на частоте 3000 МГц, поэтому возбуждающий преобразователь (в виде линейного СВЧ-тока) ориентировали под углом 45° к оси Y.

На рис. 1 показана ориентация вектора магнитного поля, направлений фазовой и групповой скоростей СВ и магнонного кристалла относительно системы координат. Возбуждающий СВЧ-преобразователь создавал в пленке ЖИГ сверхнаправленный луч, на пути распространения которого располагали магнонный кристалл. Взаимодействие луча СВ с магнонным кристаллом приводило к образованию на его выходе множества как смещенных лучей с тем же направлением, так и продифрагировавших лучей, имеющих другое направление. Полученная картина сильно зависела от частоты, ориентации вектора решетки кристалла и направления волнового вектора.

Рис. 1.

Геометрия эксперимента. Оси YZ лежат в плоскости пленки ЖИГ, имеющей толщину h = 15 мкм и намагниченность насыщения 4πM = 1850 Гс. Поле подмагничивания направлено вдоль оси Z и имеет величину H₀ = 500 Э. Возбуждающий СВЧ-преобразователь представлен отрезком жирной линии под углом φ = 45° к оси Y. Магнонный кристалл показан в виде чередующихся полос, шаг которых равен периоду решетки 810 мкм.

Распределения полей СВ измеряли СВЧ-зондом в виде микропетли, который имел возможность перемещаться в плоскости пленки в двух взаимно-перпендикулярных направлениях Y и Z [5]. Непрерывное сканирование (проход) в направлении оси Y выполняли при фиксированной координате Z. Затем зонд смещали на небольшой шаг по оси Z и сканирование повторяли при следующем фиксированном значении координаты Z. В результате многократных проходов записывали данные о распределении волны в интересующей области пленки ЖИГ. При каждом проходе с помощью АЦП формировались отсчеты, содержащие информацию о текущих значениях координаты y, частоты СВЧ-сигнала f и комплексного коэффициента передачи. Изменение частоты по пилообразному закону позволяло выполнить измерения в заданном диапазоне частот.

Дальнейшую обработку данных выполняли на компьютере в среде MATLAB. Авторами было разработано оригинальное ПО, позволяющее объединять данные из отдельных проходов в регулярную трехмерную матрицу значений комплексной амплитуды СВ с заданным шагом по координатам y, z и частоте f. Для каждого значения частоты из этой матрицы извлекали соответствующее двухмерное распределение по координатам и строили распределение амплитуды волны по поверхности пленки ЖИГ.

На рис. 2 представлена картина дифракции почти сверхнаправленного луча на магнонном кристалле, вектор решетки $\vec {q}$ которого ориентирован параллельно полю подмагничивания. Величина вектора $\vec {q}$ была выбрана так, чтобы для падающего луча были сформированы условия, близкие к созданию брэгговской дифракции [6]. Брэгговская дифракция является эффектом, резко зависящим от частоты. Сверхнаправленность ПСВ также имеет достаточно заметную частотную зависимость [4]. В результате при небольшом изменении частоты (около 100 МГц) наблюдается целый набор совершенно разных распределений СВ в ферритовой пленке ЖИГ.

Рис. 2.

Распределение амплитуды поверхностной СВ при дифракции на слабоконтрастном магноном кристалле (размеры указаны в миллиметрах). Черный отрезок изображает возбуждающий СВЧ-ток. Линии, идущие от отрезка, соответствуют распространению луча СВ при отсутствии магнонного кристалла. Магнонный кристалл показан в виде чередующихся полос. Переход от темного к светлому соответствует увеличению амплитуды СВ.

На рис. 2 представлено одно из распределений, в наибольшей степени соответствующее режиму брэгговской дифракции сверхнаправленного луча. Виден узкий хорошо сформированный падающий луч слева от магнонного кристалла. Справа от кристалла наблюдаются два луча, распространяющиеся в разные стороны симметрично относительно некоторой горизонтальной оси. Это прошедший основной луч нулевого порядка дифракции и продифрагироваший брэгговский луч первого порядка. Отметим, что основной луч оказался сдвинутым относительно исходного падающего луча и оба прошедших луча за счет взаимодействия с периодической структурой кристалла оказались гораздо шире падающего луча.

Работа выполнена за счет бюджетного финансирования в рамках государственного задания по теме № 0030-2019-0014 и при частичной финансовой поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 17-07-00033).