Методы / Метода на лабы (основная)

Порядок выполнения работы

1.Получите у преподавателя параметры исследуемой структуры.

2.Рассчитайте спектр СВ и зависимость групповой скорости от частоты для различных параметров структур:

трех различных значений толщины пленки в диапазоне 2–20 мкм;

трех различных значений намагниченности насыщения в интервале

500–2000 Гс;

трех различных значений напряженности внутреннего магнитного поля в интервале 1000–2500 Э.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Исходные параметры.

4.Графики рассчитанных характеристик.

5.Пояснения полученных результатов, описывающие физику наблюдавшихся изменений спектров и зависимостей групповых скоростей от частот.

6.Вывод по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Что такое спиновая волна?

2.Каковы основные физические принципы распространения СВ в

пленках?

3.Какое распределение магнитостатического потенциала по толщине пленки имеют различные моды ПОСВ?

4.Что определяет форму распределения магнитостатического потенциала по толщине пленки?

5.Как определяются значения поперечных разрешенных волновых чисел СВ в пленочных волноводах?

6.Запишите формулы для законов дисперсии СВ в нормально намагниченных ферромагнитных пленках. Поясните значения обозначений, используемых в формулах.

7.Качественно нарисуйте дисперсионные характеристики СВ в нормально намагниченных пленках. Поясните физические причины возникновения многомодового спектра.

11

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СПЕКТРА СПИНОВЫХ ВОЛН, ОБЛАДАЮЩИХ

ОТРИЦАТЕЛЬНОЙ ДИСПЕРСИЕЙ

Целью лабораторной работы является моделирование и исследование дисперсионных характеристик обратных объемных спиновых волн (ООСВ) в ферромагнитных пленках и определение дисперсионной характеристики в зависимости от параметров пленки и напряженности внешнего магнитного поля.

Основные положения

Объектом исследования в лабораторной работе является ферромагнитная пленка (плоскопараллельная пластинка) толщиной L, намагниченная до насыщения магнитным полем, направленным по касательной к плоскости ферромагнитной пленки (рис. 2.1). В отличие от случая перпендикулярного намагничивания при касательном намагни-

отношении неэквивалентны. В лабораторной работе будем рассматривать случай продольного намагничивания, т. е. вектор напряженности магнитного поля параллелен направлению распространения СВ.

Для решения граничной задачи о спектре СВ в касательно намагниченной пленке общее решение уравнения Уокера (1.1) запишем в виде

Здесь А, В, С и D – произвольные постоянные, а kxe – положительная величина.

12

Выражение показывает, что поле коротких СВ быстрее спадает при удалении от поверхности пластины, чем поле длинных волн.

Подстановка решения (2.1) в уравнение Уокера приводит к характеристическому уравнению

(2.4)

Как следует из (2.4), распространяющиеся СВ (kz2 0 ) могут существо-

вать лишь при отрицательных значениях µ. При этом их поперечные волновые числа действительны. Таким образом, при продольном распространении распределения по толщине пленки амплитуд нормальных волн описываются три-

гонометрическими функциями sin kxx и coskxx . Иными словами, продольные волны являются объемными.

Запишем теперь граничные условия для магнитостатического потенциала, следующие из электродинамических граничных условий:

Из граничных условий (2.5) и (2.6), подставляя в них решения (2.1) и (2.2), получаем дисперсионное уравнение для СВ в касательно намагниченной пленке.

В силу симметрии продольно распространяющихся СВ решения граничной задачи распадаются на два класса – симметричных и антисимметричных

для антисимметричных волн.

13

Уравнения (2.7) и (2.8) совместно с характеристическим уравнением (2.4) определяют спектр продольных СВ при касательном намагничивании пленки.

Как следует из (2.4), закон дисперсии продольных СВ записывается соотношением

где Yn – корни трансцендентных уравнений (2.7) и (2.8), определяющие разрешенные (дискретные) значения поперечных волновых чисел kx .

Спектр объемных СВ касательно намагниченной пленки заключен в интервале частот, соответствующих диапазону существования СВ в безграничном образце. Дисперсионные кривые n f kz имеют отрицательный наклон (отрицательную групповую скорость) во всей области спектра. Они начинаются при kz 0 в точке ( ). Эта частота определяет частоту однородного ферромагнитного резонанса касательно намагниченной пленки.

Дисперсионная кривая, ограничивающая спектр n kz по частоте снизу, отвечает волне низшего типа. Эта волна при kz 0 имеет максимальное (но отрицательное!) значение групповой скорости, равное

Vg H M L .4

Следует отметить, что при этом групповые скорости СВ всех остальных (высших) типов равны нулю.

Из-за различия в знаках (противоположного направления) фазовой

Vp kz и групповой Vg kz скоростей продольных СВ в касательно

намагниченных пленках эти волны часто называют обратными объемными спиновыми волнами.

Описание программы

В лабораторной работе используется та же программа, что и в предыдущей работе. Описание методов проведения измерения можно найти в пункте «Описание программы» лабораторной работы № 1. Основным отличием данной лабораторной работы является касательное намагничивание образца. Для изменения направления намагничивания необходимо в главном окне поменять параметр расчета Type of magnetization. Касательному намагничиванию соответствует случай Tangential.

14

Порядок выполнения работы

1.Получите у преподавателя параметры исследуемой структуры и программу для расчета.

2.Промоделируйте спектр СВ для трех различных значений параметров структур:

3.толщины пленки в диапазоне 2–20 мкм;

4.намагниченности насыщения в диапазоне 500–2000 Гс;

5.напряженности внутреннего магнитного поля в диапазоне 1000–

2500 Э.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Исходные параметры.

4.Графики рассчитанных характеристик.

5.Пояснения полученных результатов, описывающие физику наблюдавшихся изменений спектров и зависимостей групповых скоростей от частот.

6.Вывод по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Какова форма собственных колебаний намагниченности?

2.Что такое ферромагнитный резонанс? Какова его частота?

3.Как необходимо намагничивать ферромагнитную пленку для возбуждения в ней ООСВ?

4.Какое распределение магнитостатического потенциала по толщине пленки имеют различные моды ООСВ?

5.Какие уравнения и граничные условия описывают распределение магнитостатического потенциала ООСВ в пленке?

6.В чем состоит особенность дисперсионных характеристик ООСВ?

7.Запишите формулы для законов дисперсии СВ в продольно намагниченных ферромагнитных пленках. Поясните значения обозначений, используемых в формулах.

8.Качественно нарисуйте дисперсионные характеристики ООСВ в ферромагнитных пленках. Поясните причины возникновения многомодового спектра.

15

АЧХ определяется частотной зависимостью модуля выражения (3.2). Она равна

Если учесть потери при распространении СВ между входной и выходной антеннами на пути d0 и для упрощения пренебречь потерями на пути s, то АЧХ запишется в виде

лос пропускания уменьшается с ростом частоты.

Характеристика на рис. 3.2 представляет собой набор полос про-

H ( )

пускания и заграждения. Как ясно из рисунка, ширина этих полос определя-

ется крутизной дисперсионной характеристики (k) и величиной расстояния между элементами антенн СВ s. Подбирая толщину пленки L, т. е. крутизну дисперсионной характеристики и расстояние между элементами антенны, можно регулировать ширину полос пропускания в широких пределах (в сотни раз).

Использование антенн более сложных конструкций позволяет регулировать положение полос пропускания относительно дисперсионной характеристики.

17

Описание программы

На рис. 3.3 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.

Рис. 3.3. 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;

18

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.

Пункты «Параметры расчета» и «Параметры вывода» следует оставить без изменений. В таблице «Выбор» пометить «АЧХ суммарное». Запустить расчет, выбрав пункт «Основная» в разделе «Задачи».

Результаты расчета выводятся на экран в форме графика (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Окно результатов расчета

Для получения рассчитанных значений необходимо использовать вкладку «Визир». На плоскости активного графика появится курсор, которым можно управлять с помощью клавиш со стрелками.

19

Переключение между графиками можно выполнить с помощью команд «Следующий» (PgUp) и «Предыдущий» (PgDn) во вкладке «График». Изменить размеры графиков можно с помощью команд «Максимальный размер» (F5), «Начальный размер» (F6) во вкладке «График». С помощью команды «Пределы» можно изменять пределы координатных осей графиков.

В протокол необходимо записывать таблицы зависимости коэффициента ослабления от частоты. Количество точек выбирать таким, чтобы построенные в отчете графики полностью передавали все особенности расчетных характеристик.

Порядок выполнения работы

Промоделируйте набор передаточных характеристик СВЧ-фильтра и зависимости формы этих характеристик от конструкции фильтра для:

трех различных значений толщины пленки L = 5–50 мкм;

трех различных значений напряженности внешнего магнитного поля

Hе = 1000–2500 Э;

трех основных направлений намагничивания;

двухэлементных антенн с различными расстояниями между антен-

нами s = 150–600 мкм.

Содержание отчета

1.Цель работы.

2.Краткие теоретические сведения.

3.Полученные в ходе моделирования характеристики.

4.Пояснения, описывающие причины наблюдавшихся изменений промоделированных характеристик.

5.Вывод по полученным результатам.

Контрольные вопросы

1.Как определяется уровень потерь, возникающих при распространении СВ в ферромагнитной пленке?

2.Как влияют геометрические размеры микрополосковых антенн на передаточную характеристику фильтра?

3.Что определяет величину декремента пространственного затухания СВ в ферромагнитных пленках?

4.Что такое релаксационная частота?

20