Экспериментальная установка

На рис. 3 показано основное меню программы расчета передаточных характеристик спин-волновых пленочных приборов. В правой части программы находятся пункты, описывающие конструкцию прибора. В первом пункте указываются данные пленки, во втором – параметры антенн.

Рисунок 3 – Окно ввода параметров расчета

Ниже представлены расшифровки основных обозначений, использованных в программе расчета.

Данные пленки:

  L – толщина пленки, 0,1–100 мкм;

  a – расстояние до верхнего экрана, > 0 мкм;

  b – расстояние до нижнего экрана, > 0 мкм;

  M₀ – намагниченность насыщения, Гс;

  Не – внешнее магнитное поле, Э;

  На – поле кубической анизотропии, Э;

  Нu – поле одноосной анизотропии;

  dH – ширина линии ферромагнитного резонанса, Э;

  Т – температура, ^оС;

  fi – азимутальный угол внешнего магнитного поля, град;

 teta – полярный угол внешнего магнитного поля, град;

  f0 – азимутальный угол волны, град.

Данные антенны:

  La – длина антенны, мм;

  Ls – расстояние между антеннами, мм;

  Es – диэлектрическая проницаемость подложки;

  Ef – диэлектрическая проницаемость феррита;

  Rs – сопротивление;

  Симм – симметричность антенны;

  wi – ширина i-й антенны, мкм;

  si – смещение i-й антенны, мкм;

  di – зазор пленка–антенна,> a.

Обработка результатов измерений

1. Исследование семейства зависимостей времени задержки от частоты обратных объемных спиновых волн (ООСВ) для трех различных значений толщины пленки при фиксированных параметрах: d = 7 мм, H_е = 2000 Э, a → ∞

Рисунок 4 – Зависимость времени задержки от частоты ООСВ для трех различных значений толщины пленки

Анализируя графики зависимости времени задержки τ_d ООСВ от частоты (рис. 4) при d = 7 мм, H_е = 2000 Э и a → ∞ для трех различных значений толщины пленки, делаем вывод:

С увеличением значения толщины пленки значительно уменьшается время задержки. Данное явление объясняется путем рассмотрения формулы для времени задержки:

То есть, время задержки обратно зависит от значения групповой скорости (при фиксированном значении расстояния между антеннами d), которая, в свою очередь, определяется как:

Ссылаясь на первую лабораторную работу, в которой исследовались дисперсионные характеристики ферритовой пленки в зависимости от толщины, делаем вывод, что с увеличением толщины пленки дисперсионная характеристика (зависимость волнового числа от частоты) имеет более «крутой характер», что приводит к увеличению значения производной, то есть групповой скорости. Так как время задержки, как писалось ранее, обратно зависит от групповой скорости, то, соответственно, при больших толщинах пленки имеем более «крутую» зависимость дисперсионной характеристики, большее значение групповой скорости и, соответственно, меньшее значение времени задержки.

Также, стоит уточнить, что все зависимости начинаются с частоты , равной:

2. Исследование семейства зависимостей времени задержки от частоты обратных объемных спиновых волн (ООСВ) для трех различных расстояний между антеннами при фиксированных параметрах: L = 25 мкм, H_е = 2000 Э, a → ∞

Рисунок 5 – Зависимость времени задержки ООСВ от частоты для трех различных расстояний между антеннами

Анализируя графики зависимости времени задержки τ_d ООСВ от частоты (рис. 5) при L = 7 мм, H_е = 2000 Э и a → ∞ для трех различных расстояний между антеннами, делаем вывод:

C увеличением расстояния между антеннами время задержки значительно увеличивается. Также обратимся к формуле для времени задержки:

То есть, время задержки напрямую зависит от расстояния, которое необходимо пройти волне. Таким образом, с увеличением расстояния между антеннами значительно возрастает время задержки.

При этом, ход зависимости также объясняется через групповую скорость, которая зависит от частоты. Соответственно, при фиксированной толщине пленки с увеличением расстояния между антеннами увеличивается и время задержки, которая зависит от групповой скорости, которая, в свою очередь, зависит от частоты. Таким образом, искажения графиков зависимостей от расстояния между антеннами не происходит, так как толщина пленки остается фиксированной.

3. Исследование семейства зависимостей времени задержки от частоты для трех основных направлений намагниченности при фиксированных параметрах: L = 25 мкм, d = 7 мм, H_е = 2000 Э, a → ∞

Рисунок 6 – Зависимость времени задержки от частоты для трех основных направлений намагниченности в логарифмическом масштабе

Рисунок 7 – Зависимость времени задержки от частоты ПОСВ (прямых объемных спиновых волн)

Рисунок 8 – Зависимость времени задержки от частоты ООСВ (обратных объемных спиновых волн)

Рисунок 9 – Зависимость времени задержки от частоты ПСВ (поверхностных спиновых волн)

Анализируя графики зависимости времени задержки τ_d ПОСВ, ООСВ и ПСВ от частоты (рис. 7, 8, 9) при L = 25 мкм, d = 7 мм, H_е = 2000 Э, a → ∞, делаем вывод:

В первую очередь, следует определить, от чего зависит каждый из трех графиков ГВЗ. Как и было определено ранее, ГВЗ зависит от групповой скорости:

Групповая скорость, соответственно, определяется следующим образом:

При этом, закон дисперсии для каждого типа волны свой:

Приведем дисперсионные характеристики для каждого из типов волны:

в) ПСВ

б) ООСВ

а) ПОСВ

k

k

k

Рисунок 10 – Дисперсионные характеристики трех типов СВ

Также приведем графики групповых скоростей для разных типов СВ:

б) ООСВ

в) ПСВ

а) ПОСВ

Рисунок 11 – График групповых скоростей трех типов СВ

Соответственно, из графиков дисперсионных характеристик и групповых скоростей для трех типов волн следует: так как групповое время задержки обратно пропорционально групповой скорости, которая, в свою очередь, является производной частоты по волновому числу, получаем, что разным типам СВ соответствует разный ход графика зависимости групповой скорости от частоты.

Так, в случае ПОСВ, дисперсионная характеристика которой была рассмотрена ранее, групповая скорость убывает с увеличением частоты (так как дисперсионная кривая по мере увеличения частоты становится менее «крутой», соответственно, значение производной, то есть групповой скорости, уменьшается). Аналогичный вывод можем применить и для описания хода кривой группового времени задержки ПСВ, однако, для ПСВ будут характерные совсем другие частотные границы дисперсионной характеристики, что и указано на графике.

Для ООСВ ход кривых группового времени задержки представлен совсем по-другому. Дисперсионная кривая имеет совсем другой вид, чем в случае ПОСВ и ПСВ. Соответственно, групповая скорость ООСВ (рисунок 11) с увеличением частоты возрастает, а ГВЗ уменьшается.

4. Исследование семейства зависимостей времени задержки от частоты поверхностных спиновых волн для четырех значений расстояния до экрана при фиксированных параметрах: L = 25 мкм, d = 7 мм, H_е = 2000 Э

Рисунок 12 – Зависимость времени задержки от частоты поверхностных спиновых волн при различных значениях расстояния до экрана в логарифмическом масштабе

Рисунок 13 – Зависимость времени задержки от частоты поверхностных спиновых волн при a = 0

Рисунок 14 – Зависимость времени задержки от частоты поверхностных спиновых волн при a = 100 мкм

Рисунок 15 – Зависимость времени задержки от частоты поверхностных спиновых волн при a = 300 мкм

Рисунок 16 – Зависимость времени задержки от частоты поверхностных спиновых волн при a

Анализируя графики зависимости времени задержки τ_d ПСВ от частоты (рис. 13, 14, 15, 16) при L = 25 мкм, d = 7 мм, H_е = 2000 Э, делаем вывод:

В первую очередь, обратимся к закону дисперсии ПСВ в случае металлического экрана, а именно: