Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя
Вантажиться...
Дата
2023
Автори
Науковий керівник
Назва журналу
Номер ISSN
Назва тому
Видавець
КПІ ім. Ігоря Сікорського
Анотація
Тюкавкiна I. М. Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя. — Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису.
Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiлософiї за спецiальнiстю 104 — Фiзика та астрономiя. — Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський полiтехнiчний iнститут iменi Iгоря Сiкорського», Київ, 2023.
Дисертацiя присвячена спiновим хвилям, якi є перспективними для iмплiкацiї пристроїв спiн-хвильової логiки в електронiцi, завдяки їх потенцiйно великiй енергiї, короткiй довжинi хвилi та високiй швидкостi розповсюдження. Розглядається проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї, структурованi спецiальним чином при їх виготовленнi, а саме з модульованими параметрами власної магнiтної анiзотропiї, обмiнної константи та взаємодiї Дзялошинського-Морiя. На основi точних лiнiйних та аналiтичних розв’язкiв рiвняння Ландау-Лiфшиця було побудовано аналiтичну модель взаємодiї лiнiйних та нелiнiйних спiнових хвиль iз метаповерхнями iз врахуванням рiзного типу граничних умов для рiвняння Ландау-Лiфшиця. Дисертацiйна робота складається iз п’яти роздiлiв, у яких описано проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї в феромагнiтних матерiалах. Основну частину дисертацiї доповнено таблицею iз матерiальними параметрами, що використаннi для комп’ютерного моделювання розповсюдження спiнових хвиль, що зiбранi iз вiдповiдних джерел для феромагнетикiв. Також, у додатках приведено програми, що виконанi в середовищi Python, для кожної iз задач, включених у дану дисертацiйну роботу. У першому роздiлi дисертацiйної роботи розглядається загальний вигляд повної енергiї феромагнетика, зокрема, доданок, що описує взаємодiю Дзялошинського-Морiя, та граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшиця на метаповерхнi мiж двома феромагнетиками. Огляд теоретичних та експериментальних спостережень ефекту невзаємностi спiнових хвиль включено в перший роздiл, оскiльки, створення нових магнонних пристроїв на базi невзаємного поширення спiнових хвиль є перспективним напрямком розвитку магнонiки. Експериментальне спостереження дифракцiї та iнтерференцiї спiнових хвиль i спiн-хвильовi ефекти в наноелектронiцi докладно описано в цьому роздiлi для розумiння сьогоденної парадигми в областi спiнтронiки та магнонiки та видiлено основнi напрями їх майбутнього розвитку. Другий роздiл присвячено аналiтичнiй моделi для опису поширення спiнової хвилi через систему, що складається з двох феромагнетикiв без та iз взаємодiєю Дзялошинського-Морiя, роздiлених плоским iнтерфейсом. Знайдено залежностi коефiцiєнтiв проходження та вiдбиття спiнової хвилi як функцiю частоти спiнової хвилi та константи Дзялошинського-Морiя, яка, як вiдомо, сильно залежить вiд температури та має тенденцiю до значного зростання при низькiй температурi порiвняно з кiмнатною. Взаємодiя Дзялошинського-Морiя дозволяє описати численнi магнiтнi властивостi сполук iз порушеною симетрiєю. Дослiдження систем з неколiнеарними спiновими текстурами, таких як хiральнi доменнi стiнки, скiрмiони, скiрмiоннi ґратки, магнiтнi спiралi у феромагнiтних матерiалах мають широкий спектр застосувань, наприклад, у пристроях спiн-хвильової логiки, кодування бiтiв для рейс-трекової пам’ятi. В третьому роздiлi дисертацiйної роботи виведено граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшица на межi роздiлу двох феромагнетикiв з рiзними значеннями взаємодiї Дзялошинського-Морiя. Аналiтичний вираз для умови неперервностi густини потоку енергiї при поширеннi спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя розраховано з урахуванням зазначених граничних умов. Дослiдження такого роду систем не тiльки вiдкриють новi можливостi для наведення та манiпулювання спiновими хвилями в надтонких магнiтних наноструктурах, а й сприятимуть розвитку променевої магнонiки. Аналiтичнi вирази для коефiцiєнтiв вiдбиття, проходження та фактори невзаємностi, що обчисленi iз врахуванням взаємодiї Дзялошинського-Морiя, дозволять поглибити знання про керування поширенням спiнової хвилi в магнонних пристроях. Аналiтична модель показує, що iснує два типи ефектiв невзаємностi для поширення спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя для протилежних орiєнтацiй вектора Дзялошинського-Морiя. У сприятливих ситуацiях це може збiльшити довжину загасання спiнової хвилi. Знайдено матерiальнi параметри феромагнетика та схiдчастої взаємодiї Дзялошинського-Морiя, для яких за результатами розрахункiв очiкується надзвичайно високий коефiцiєнт невзаємностi (> 10). Результати даної роботи дозволять реалiзувати керування поширення спiнової хвилi в магнонних пристроях. У четвертому роздiлi поставлено задачу розрахувати параметри рiзних феромагнiтних матерiалiв для створення метаповерхневої спiн-хвильової зонної пластинки Френеля, яка здiйснюватиме управлiння амплiтудою та фазою спiнової хвилi i матиме покращену функцiональнiсть фокусування. Проводячи аналогiю з оптикою, в магнонiцi за допомогою системи отворiв реалiзовано тiльки найпростiший тип зонної пластинки Френеля, яка є дифракцiйною лiнзою та складається з серiї концентричних кiлець, що чергуються. Спiн-хвильовий-аналог метаповерхневої зонної пластинки Френеля може бути створено за допомогою перiодичної модуляцiї iзотропного обмiну та власної магнiтної анiзотропiї iнтерфейсу мiж двома феромагнетиками. Така фазово-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля може бути використана для бiльш ефективного фокусування як спiнових хвиль, що пройшли, нiж традицiйна амплiтудно-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля. Позаяк метаповерхня може iндивiдуально керувати амплiтудою, фазою та поляризацiєю електромагнiтної хвилi, то метаповерхнева зонна пластинка забезпечує бiльше ступенiв свободи для покращення функцiональностi, нiж звичайна зонна пластинка Френеля. Очевидно, що в магнонiцi, запозичуючи вiдповiднi iдеї фотонiки, перспективною є розробка метаповерхневих зонних пластинок для спiнових хвиль, якi б замiсть блокування амплiтуди хвилi в непрозорих зонах забезпечували б вiдповiдний зсув фаз для конструктивної iнтерференцiї зi спiновою хвилею, збiльшуючи ефективнiсть фокусування в порiвняннi з амплiтудною зонною пластинкою Френеля. П’ятий роздiл дисертацiї демонструє аналiтичну модель для опису руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками за допомогою спiн-поляризованого струму. Залежнiсть швидкостi руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками, керовану спiн-поляризованим струмом, вiд сили спiн-поляризованого струму i напруженостi зовнiшнього магнiтного поля обраховано у даному роздiлi. Переважна бiльшiсть теоретичних дослiджень внутрiшньої структури доменних стiнок у феро- та антиферомагнетиках базується на чисельному мiкромагнiтному моделюваннi. Факт наявностi нескiнченної кiлькостi магнiтних текстур за однакових граничних умов для вектора намагнiченостi представляє нетривiальну задачу для чисельного мiкромагнiтного моделювання. Точний динамiчний розв’язок рiвняння Ландау-ЛiфшицяГiлберта-Слончевського у феромагнетику з одновiсною магнiтною анiзотропiєю, який описує рух доменної стiнки зi скiрмiонами у внутрiшнiй структурi пiд дiєю зовнiшнього магнiтного поля та спiнового струму дозволяє розв’язати цю задачу аналiтично. На додаток, отриманий розв’язок застосовний не тiльки для нескiнченного феромагнетика, а й до вiльного шару шаруватої системи феромагнетик/немагнiтний метал/феромагнетик за умови, що характерний масштаб скiрмiон-подiбного будiвельного блоку, як компоненти внутрiшньої структури доменної стiнки, є набагато меншим, нiж товщина вiльного шару. Остання умова добре виконується для скiрмiонiв розмiром порядку кiлькох нм, якi особливо популярнi як носiї iнформацiї у галузi спiнтронiки.
Опис
Ключові слова
спиновi хвилi, феромагнетик, граничнi умови, метаповерхня, взаємодiї Дзялошинського-Морiя, магнiтодипольна взаємодiя, взаємодiя обмiнна, магнiтне впорядкування, динамiка намагнiченостi, феромагнетизм, магнiтна анiзотропiя, мiкрохвильовi властивостi, магнiтна динамiка, spin waves, ferromagnet, boundary conditions, metasurface, Dzyaloshinskii-Moriya interactions, spin-spin interactions, magnetic ordering, magnetization dynamics, ferromagnetism, magnetic anisotropy, microwave propertie, magnetic dynamics
Бібліографічний опис
Тюкавкiна, I. М. Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя : дис. ... доктора філософії : 104 Фiзика та астрономiя / Тюкавкiна Iрина Миколаївна. - Київ, 2023. - 206 с.