Способ управления магнитоупругой связью с помощью когерентного оптического лазерного излучения в эпитаксиальных плёнках феррит-граната

Изобретение относится к области сенсорики и сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, в частности к созданию управляемых сенсоров магнитных полей, фильтров, модуляторов и маршрутизаторов СВЧ-излучения, оптически управляемых логических элементов, преобразователей сигналов, рабочим материалом которых являются эпитаксиальные пленки феррит-гранатов с перестраиваемыми свойствами за счет управления магнитоупругой связью в монокристалле с помощью когерентного оптического (лазерного) излучения. Способ управления магнитоупругой связью в монокристаллических магнитных эпитаксиальных пленках катион-замещенных феррит-гранатов 1 включает установку образца пленки феррит-граната 1 в измерительную ячейку 2, помещенную во внешнее переменное магнитное поле В, характеризующееся частотами СВЧ-излучения, при приложении внешнего постоянного магнитного поля В₀, при этом измерительная ячейка 2 подключена к векторному анализатору цепей 3 для взаимодействия СВЧ-излучения со спиновой системой магнитной пленки для возбуждения и регистрации ферромагнитного резонанса (ФМР), модулированного за счет эффекта, обусловленного магнитоупругой связью, и характеризующегося ФМР-спектрами на основе частотной зависимости модуля комплексного коэффициента пропускания S₂₁, при этом внешнюю поверхность пленки феррит-граната 1 через проделанное отверстие в измерительной ячейке 1 облучают плоско поляризованным оптическим лазерным монохроматическим когерентным излучением 6 с длиной волны 680 нм и плотностью мощности в диапазоне не более 10⁴ Вт/м² при изменении частотного диапазона колебаний переменного магнитного поля В в пределах 200-1500 МГц, постоянного магнитного поля В₀ в диапазоне 5-50 Э, изменяя тем самым глубину модуляции ФМР-спектров за счет индуцированного оптическим лазерным излучением изменения магнитоупругой связи. В изобретении используют принцип фотоиндуцированного изменения величины магнитной анизотропии, что приводит к изменению величины магнитоупругой связи в монокристаллических эпитаксиальных пленках феррит-гранатов. При этом изменение величины магнитоупругой связи влияет на эффективность спинового возбуждения акустических (фононных) мод и, как следствие, на величину модуляции спектра ферромагнитного резонанса. Технический результат изобретения - повышение эффективности и скорости динамического оптомагнитного управления магнитоупругой связью в катион-замещенных монокристаллических эпитаксиальных пленках феррит-гранатов, а также возможность совмещения на одном твердотельном кристалле трех взаимосвязанных различных внешних факторов воздействия и передачи сигналов, таких как магнитное поле, СВЧ-излучение и оптическое излучение. 2 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к области сенсорики и сверхвысокочастотной (СВЧ) техники, и, в частности, к созданию управляемых сенсоров магнитных полей, фильтров, модуляторов и маршрутизаторов СВЧ-излучения, оптически управляемых логических элементов, преобразователей сигналов и т.д. рабочим материалом которых являются эпитаксиальные монокристаллические пленки феррит-гранатов с перестраиваемыми свойствами за счет управления магнитоупругой связью в монокристалле с помощью когерентного оптического (лазерного) излучения.

Известно, что в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов с сильной магнитоупругой связью магнитные моды колебаний могут приводить к возбуждению упругих волн, для которых магнитная пленка вместе с подложкой выступают в качестве резонатора. При этом упругие колебания приводят к модуляции как спектров спиновых волн [Ю. В. Гуляев, П. Е. Зильберман, Г.Т. Казаков, В.Г. Сысоев, В.В. Тихонов, Ю.А. Филимонов, Б.П. Нам, А. С.Хе. Наблюдение быстрых магнитоупругих волн в тонких пластинах и эпитаксиальных пленках железо-иттриевого граната. Письма в ЖЭТФ том. 34, вып. 9, стр. 500-504 (1981)], так и спектров ферромагнитного резонанса (ФМР) набором равноотстоящих по частоте, узких, по сравнению с шириной линии ФМР, линий поглощения («провалов») в спектре магнитных колебаний. При разработке радиотехнических устройств представляется важным иметь возможность управлять амплитудой упругой модуляции спин-волновых спектров.

Величина упругой модуляции магнитных спектров (глубина «провалов») определяется величиной магнитоупругих взаимодействий [С.Н. Полулях, В.Н. Бержанский, Е.Ю. Семук, В.И. Белотелое, П.М. Ветошко, В.В. Попов, А.Н. Шапошников, А.Г. Шумилов, А.И. Чернов. Ферромагнитный резонанс и упругие колебания в эпитаксиальных пленках феррит-граната иттрия ЖЭТФ. - 2021. - Том 159, Вып. 2. - стр. 307-314 DOI: 10.31857/S0044451021020103]. Кроме того, магнитоупругие взаимодействия вносят вклад в магнитную кристаллическую анизотропию, которая влияет как на направление намагниченности в кристалле, так и на спектр спин-волновых возбуждений. При этом и магнитная анизотропия и магнитоупругие взаимодействия имеют одну и ту же природу: магнитные дипольные взаимодействия и спин-орбитальное взаимодействие, которое для переходных 3d элементов, как правило, оказывается доминирующим.

Известно достаточно большое количество способов управления магнитоупругой связью в эпитаксиальных пленках феррит-гранатов и устройств, в основе которых лежит использование магнитоупругой связи и связанного с ней явления магнитострикции. Используя различное катионное замещение, можно синтезировать феррит-гранаты с различной величиной магнитоупругой связи и магнитной анизотропии [Спичкин Ю.И., Тишин А.М. Способ формирования магнитного материала для записи информации с высокой плотностью RU 2 227 941 С2 (H01F 10/08, G11B 5/714, Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. - М.: Наука, 1980-239 с]. Эффективность магнитоупругих и анизотропных взаимодействий может быть изменена путем термомагнитной обработки материала [Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. - М.: Наука, 1980-239 с]. Для катион замещенных феррит-гранатов известен фотомагнитный эффект [Белов К.П. Редкоземельные магнетики и их применение. - М.: Наука, 1980-239 с], состоящий в изменении магнитной кристаллографической анизотропии под действием линейно поляризованного света. Данный эффект проявляется в изменении амплитуды и смещении частоты сигнала поглощения [Губернаторов В.В., Сычева Т.С, Ольков С.А. Способ термомагнитной обработки анизотропных магнитомягких материалов RU 2 494 153 С1].

Известен способ выращивания монокристаллических пленок феррит-гранатов методом жидкофазной эпитаксии (Патент UA 40028 А МПК 6 С30В 19/02, 29/28, опубл. 16.07.2001, Бюл. №6), включающий погружение подложки из галлий-гадолиниевого граната в пересыщенный расплав смеси феррит-образующих оксидов и растворителя, и осаждение пленок при заданных температурных режимах. В данном изобретении величина магнитной анизотропии и связанные с ней магнитоупругие взаимодействия регулируются за счет изменения катионного состава эпитаксиальной пленки феррит граната.

Общим с заявляемым решением признаком является возможность управления величиной магнитоупругого взаимодействия в эпитаксиальной пленке феррит-граната.

Недостатком технического решения является принципиальная невозможность динамического изменения величины магнитоупругой связи и магнитной анизотропии непосредственно при использовании пленки после ее синтеза. Величина магнитоупругой связи, а также тип и величина магнитной анизотропии формируются при эпитаксиальном синтезе пленки.

Известен магнитооптический материал (Патент RU 2 522 594 С1 МПК С30В 29/28 (2006.01), С30В 19/12 (2006.01), H01F 10/24 (2006.01), H01F 10/28 (2006.01), G02F 1/09 (2006.01), опубл. 20.07.2014, Бюл. №20), который представляет собой эпитаксиальную монокристаллическую пленку феррита-граната состава (YBi)₃(FeGa)₅O₁₂, выращенную на подложке немагнитного граната с высоким значением параметра решетки а=12,38-12,56 Å, при этом эпитаксиальная пленка содержит 0,1-0,4 формульных единиц ионов Mg²⁺. Подложка немагнитного граната может быть выполнена из (GdCa)₃(GaMgZr)₅O₁₂, или Ca₃(NbLi)₂Ga₃O₁₂, или Ca₃(NbMg)₂Ga₃O₁₂, или Ca₃(NbZr)₂Ga₃O₁₂. В данном изобретении величина магнитоупругих взаимодействий и величина магнитной анизотропии регулируются за счет изменения катионного состава эпитаксиальной пленки феррит граната и изменения типа подложки.

Общим с заявляемым решением признаком является возможность управления величиной магнитоупругого взаимодействия в эпитаксиальной пленке феррит-граната.

Недостатком технического решения является принципиальная невозможность динамического изменения величины магнитоупругой связи и магнитной анизотропии непосредственно при использовании пленки после ее синтеза. Величина магнитоупругой связи, а также тип и величина магнитной анизотропии формируются при эпитаксиальном синтезе пленки.

Известен способ обработки магнитооптических управляемых транспарантов на основе эпитаксиальных пленок (Bi, Оа)-содержащих ферритов-гранатов (Патент RU2 150 768 C1 МПК H01L 21/42 (2000.01), опубл. 10.06.2000, Бюл. №16), который заключается в обработке эпитаксиальных пленок феррит-гранатов потоком высокоэнергетических электронов с энергией Е_е=(4-7) МэВ при плотности потока Φе=(2-6)⋅10¹² см²с^-1 до флюенса Φ_е=(1-5)⋅10¹⁶ см^-2 (причем облучение проводят по всей поверхности транспаранта и с его нерабочей стороны), а после этого отжигают в атмосфере кислорода при температуре 150-300°С в течение 1-2 ч.

Общим с заявляемым решением признаком является возможность управления величиной магнитоупругого взаимодействия и магнитной анизотропии в эпитаксиальной пленке феррит-граната.

Недостатком технического решения является принципиальная невозможность динамического изменения величины магнитоупругой связи и магнитной анизотропии непосредственно в процессе использовании пленки. Величина магнитоупругой связи, а также тип и величина магнитной анизотропии формируются при обработке эпитаксиальной пленки с помощью облучения потоком высокоэнергетических электронов с последующим отжигом.

Известен магнитострикционный преобразователь высокочастотных ультразвуковых колебаний (Патент RU2 492 590 C1 МПК H04R 15/00 (2006.01), опубл. 10.09.2013, Бюл. №25), который содержит звукопровод в форме цилиндра, на один из торцов которого нанесен магнитострикционный элемент в виде однородной монокристаллической пленки, толщина которой кратна длине волны ультразвуковых колебаний звукопровода. В данном изобретении преобразование переменного магнитного поля в ультразвуковые акустические волны осуществляется за счет магнитоупругой связи в монокристаллической пленке

Общим с заявляемым решением признаком является использование магнитоупругой связи в монокристаллической пленке феррит-граната для преобразования магнитных волн в акустические и наоборот.

Недостатком технического решения является отсутствие возможности управления величиной магнитоупругой связи.

В качестве прототипа выбран термомагнитооптический способ записи информации и устройство для его реализации (Патент RU 2 428 751 С2 МПК G11B 11/12 (2006.01), опубл. 10.09.2011, Бюл. №25), который включает нагрев участка рабочей среды электронным или лазерным пучком до температуры Кюри или температуры компенсации, причем носитель до проведения записи обрабатывают при нормальных атмосферных условиях в отрицательном коронном разряде в течение 2-15 часов при токе короны 50-500 мкА. В данном изобретении величина магнитной анизотропии в пленке магнитного диэлектрика и связанные с ней магнитоупругие взаимодействия регулируются за счет термомагнитной обработки и воздействия коронного разряда. Устройство для реализации предложенного способа содержит лазер, оптическую систему, дисковод, систему внешнего магнитного поля, фотодетектор, системы автокрекинга и автофокусировки, электронный блок канала записи и устройство униполярного коронного разряда, состоящее из высоковольтного выпрямителя, пластины электрода, выполняющей одновременно роль дисковода и покрытой резиновым слоем, а также коронирующего электрода.

Недостатком технического решения является высокая инертность процессов термомагнитного воздействия и обработки в плазме коронного разряда что существенно снижает скорость динамического изменения величины магнитоупругой связи и магнитной анизотропии, при этом дефекты, наводимые коронным разрядом, неизбежно приведут к снижению срока эффективной эксплуатации магнитооптического материала.

Техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эффективности и скорости динамического фотоиндуцированного управления магнитоупругой связью в катион-замещенных монокристаллических эпитаксиальных пленках феррит-гранатов непосредственно в устройстве, в котором пленка используется в качестве рабочего материала, а также возможность совмещения на одном твердотельном кристалле трех взаимосвязанных различных внешних факторов воздействия и передачи сигналов, таких как магнитное поле, СВЧ-излучение и оптическое излучение.

Поставленная задача решается следующит образом. Способ управления магнитоупругой связью с помощью когерентного оптического лазерного излучения в монокристаллических эпитаксиальных пленках катион-замещенных феррит-гранатов включает установку образца пленки феррит-граната в измерительную ячейку, подключенную к векторному анализатору цепей для регистрации спектров взаимодействия СВЧ-излучения со спиновой системой магнитной пленки и регистрации ферромагнитного резонанса, помещение пленки феррит-граната вместе с измерительной ячейкой во внешнее магнитное поле, облучение внешней поверхности пленки феррит-граната плоско поляризованным монохроматическим когерентным излучением через специально проделанное отверстие в измерительной ячейке, при этом частота колебаний переменного магнитного поля находится в частотном диапазоне 200-1500 МГц, магнитное постоянное поле может изменяться в диапазоне 5-50 Э, плотность мощности оптического излучения с длиной волны 680 нм составляет 0-10⁴ Вт/м².

Общими с заявляемым решением признаками прототипа являются использование эпитаксиальной пленки феррит-граната, помещение пленки во внешнее магнитное поле, облучение пленки монохроматическим когерентным (лазерным) излучением. При этом в прототипе управление магнитоупругой связью в эпитаксиальной пленке феррит-граната осуществляется за счет термомагнитной обработки и воздействия коронного разряда.

Отличительными признаками изобретения являются:

- использование сверхвысокочастотного электромагнитного поля для возбуждения и регистрации ферромагнитного резонанса, модулированного за счет эффекта, обусловленного магнитоупругой связью в монокристалле феррит-граната;

- использование когерентного оптического (лазерного) излучения перестраиваемой мощности для модификации спектров ферромагнитного резонанса за счет, индуцированного светом изменения магнитоупругой связи и магнитной анизотропии.

Совокупность отличительных и ограничительных признаков обеспечивает изобретательский уровень заявленного технического решения.

В заявляемом способе используют принцип индуцированного светом изменения величины магнитоупругой связи в монокристаллических эпитаксиальных пленках феррит-гранатов. При этом изменение величины магнитоупругой связи влияет на эффективность магнитоупругого возбуждения упругих мод колебаний и, как следствие, на величину модуляции спектра ферромагнитного резонанса. Данный способ имеет ряд преимуществ:

- динамическое изменение магнитоупругих свойств эпитаксиальных пленок феррит-гранатов;

- обратимость изменения магнитоупругих свойств;

- отсутствие необходимости удаления пленки из измерительной ячейки для изменения ее магнитоупругих свойств.

В основу заявляемого изобретения положен экспериментально обнаруженный эффект влияния линейно поляризованного света на величину магнитоупругих взаимодействий в эпитаксиальных пленках феррит-граната состава (BiLu)3(FeGa)sOi2. Разработанный способ управления магнитоупругой связью с помощью когерентного оптического (лазерного) излучения позволяет создавать на базе монокристаллических эпитаксиальных пленок феррит-гранатов высокоэффективные датчики, модуляторы, фильтры, преобразователи, логические элементы и т.д.

Способ реализуют следующим образом (Фиг. 1). Монокристаллическую эпитаксиальную пленку катион-замещенного феррит-граната 1 помещают в измерительную ячейку 2, подключенную к векторному анализатору цепей 3 для регистрации спектров ФМР. Процедура регистрации спектров ФМР основана на регистрации частотной зависимости комплексного коэффициента пропускания S₂₁ измерительной ячейки 2, содержащей образец 1 пленки феррит-граната. Измерительная ячейка 2 состоит из двух плоскопараллельных металлических пластин 4 и 5, между которыми помещается исследуемый образец (пленка феррит-граната). В одной из пластин выполнено отверстие, через которое образец освещается излучением лазера 6 с длиной волны 680 нм. Измерительная ячейка 2 помещается во внешнее постоянное магнитное поле B₀, создаваемое катушками Гельмгольца (на фиг. 1 не показаны).

На Фиг. 2 приведены спектральные зависимости модуля комплексного коэффициента пропускания S₂₁ (спектр ФМР) эпитаксиальной пленки (BiLu)₃(FeGa)₅O₁₂ толщиной 12 мкм, выращенной на подложке из гадолиний галлиевого граната толщиной 450 мкм и ориентированной в кристаллографической плоскости (111). Постоянное магнитное поле величиной 18,6 Э лежит в плоскости пленки и совпадает с направлением трудного намагничивания в плоскости пленки (кристаллографическое направление [110] или [112]). Основной экспериментально наблюдаемый эффект состоит в уменьшении амплитуды модуляции (провалов) в спектре ФМР на частотах упругого резонанса. При плотности мощности лазерного излучения 8,5⋅10³ Вт/м² модуляция ФМР спектров практически исчезает. Кроме того, увеличение мощности лазерного излучения приводит к незначительному увеличению частоты ФМР, которое мало по сравнению с шириной линии ФМР и, в первом приближении, может не учитываться.

Следует отметить, что, нагрев образца горячим воздухом до температуры 335 К также приводит к росту частоты ФМР, а при дальнейшем увеличении температура образца, наоборот, приводит к уменьшению частоты ФМР, что обусловлено уменьшением намагниченности. При этом максимальное увеличение частоты ФМР в результате нагрева образца в три раза меньше, чем увеличение частоты ФМР вследствие действия лазерного излучения. Кроме того, нагрев образца практически не влияет на величину провалов в спектре ФМР на частоте упругих резонансов. Таким образом, изменение магнитоупругих взаимодействий под действием света обусловлено фотомагнитным эффектом и не может быть сведено к тепловому действию лазерного излучения.

Пример.

Монокристаллическая эпитаксиальная пленка катион-замещенного феррит-граната толщиной 12 мкм с номинальным составом (BiLu)₃(FeGa)₅O₁₂, выращенная методом жидкофазной эпитаксии на подложке из гадолиний галлиевого граната толщиной 450 мкм с ориентацией поверхности в кристаллографической плоскости (111), помещается в измерительную ячейку (Фиг. 1). Размер пластин ячейки составляет 38 × 14 мм, расстояние между пластинами 2 мм, в одной из пластин выполнено отверстие диаметром 5 мм для ввода лазерного излучения. Измерительная ячейка через коаксиальные волноводы подключается к векторному анализатору сетей Rohde & Schwarz ZNB 20, который способен генерировать и детектировать переменное электромагнитное поле в диапазоне частот 200-1500 МГц (в настоящем примере диапазон частот составлял 400-550 МГц), Образец с измерительной ячейкой помещается между катушками Гельмгольца, которые создают постоянное магнитное поле 18,6 Э. Постоянное магнитное поле лежит в плоскости пленки и совпадает с направлением трудного намагничивания в плоскости пленки (кристаллографическое направление [110]). Взаимное расположение векторов переменного магнитного поля В~ и постоянного магнитного поля В₀ относительно образца и измерительной ячейки показаны на Фиг. 1.

Через отверстие в одной из пластин измерительной ячейки образец освещается пучком монохроматического плоско поляризованного лазерного излучения, плотность мощности оптического излучения с длиной волны 680 нм составляет 0-104 Вт/м². При этом мощность 0 Вт/м² соответствует отсутствию лазерного излучения.

В качестве регистрируемого параметра выступает частотная зависимость (спектр) модуля комплексного коэффициента пропускания S₂₁ (спектры ФМР). На Фиг. 2 показаны спектры коэффициента S₂₁ при облучении образца лазерным излучением с плотностью оптической мощности 0 Вт/м², 2,1⋅10³ Вт/м², 5,7⋅10³ Вт/м², и 8,6⋅10³ Вт/м². При этом изменение мощности лазерного излучения приводит к изменению глубины модуляции ФМР спектра за счет управления магнитоупругой связью в монокристаллической эпитаксиальной пленке катион-замещенного феррит-граната, а мощность лазерного излучения 8,5⋅10³ Вт/м² приводит к практически полному подавлению модуляция ФМР спектров.

Данное изобретение позволяет на одном твердотельном кристалле обеспечить взаимную связь трех различных внешних факторов воздействия и передачи сигналов, таких как магнитное поле, СВЧ-излучение и оптическое излучение. Это позволяет по изменению одного из факторов взаимодействия оценить изменение параметров других факторов (сенсорное применение), либо за счет изменения одного фактора взаимодействия влиять на другие факторы (применение в качестве элемента управления), либо сигнал, передаваемый за счет одного фактора взаимодействия, преобразовывать в сигналы другого фактора (применение в качестве преобразователя). Изобретение может быть использовано в области электроники и СВЧ-техники, в линиях связи, в том числе волоконно-оптической, в наукоемких технологиях при создании высокочувствительных датчиков магнитного поля и т.д., а также при проведении комплексных лабораторных исследований.

Способ управления магнитоупругой связью в монокристаллических магнитных эпитаксиальных пленках катион-замещенных феррит-гранатов, включающий установку образца пленки феррит-граната в измерительную ячейку, помещенную во внешнее переменное магнитное поле, характеризующееся частотами СВЧ-излучения, при приложении внешнего постоянного магнитного поля, при этом измерительная ячейка подключена к векторному анализатору цепей для взаимодействия СВЧ-излучения со спиновой системой магнитной пленки для возбуждения и регистрации ферромагнитного резонанса (ФМР), модулированного за счет эффекта, обусловленного магнитоупругой связью, и характеризующегося ФМР-спектрами на основе частотной зависимости модуля комплексного коэффициента пропускания S₂₁, отличающийся тем, что внешнюю поверхность пленки феррит-граната через проделанное отверстие в измерительной ячейке облучают плоско поляризованным оптическим лазерным монохроматическим когерентным излучением с длиной волны 680 нм и плотностью мощности в диапазоне не более 10⁴ Вт/м² при изменении частотного диапазона колебаний переменного магнитного поля в пределах 200-1500 МГц, постоянного магнитного поля в диапазоне 5-50 Э, изменяя тем самым глубину модуляции ФМР-спектров за счет индуцированного оптическим лазерным излучением изменения магнитоупругой связи.