Способ управления магнитоупругой связью с помощью когерентного оптического лазерного излучения в эпитаксиальных плёнках феррит-граната
METHOD OF CONTROLLING MAGNETOELASTIC COUPLING USING COHERENT OPTICAL LASER RADIATION IN FERRITE-GARNET EPITAXIAL FILMS

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.
3
5
12
3
5
12
3
2
3
12
3
2
3
12
3
2
3
12
2+
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)(FeGa)O, 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 Mg. Подложка немагнитного граната может быть выполнена из (GdCa)(GaMgZr)O, или Ca(NbLi)GaO, или Ca(NbMg)GaO, или Ca(NbZr)GaO. 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.
е
е
12
2
-1
16
-2
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=(4-7) МэВ при плотности потока Φе=(2-6)⋅10 смс до флюенса Φ=(1-5)⋅10 см (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.
4
2
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 0-10 Вт/м.
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.
21
0
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 S 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 B, создаваемое катушками Гельмгольца (на фиг. 1 не показаны).
21
3
5
12
3
2
На Фиг. 2 приведены спектральные зависимости модуля комплексного коэффициента пропускания S (спектр ФМР) эпитаксиальной пленки (BiLu)(FeGa)O 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⋅10 Вт/м 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.
3
5
12
0
Монокристаллическая эпитаксиальная пленка катион-замещенного феррит-граната толщиной 12 мкм с номинальным составом (BiLu)(FeGa)O, 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 В относительно образца и измерительной ячейки показаны на Фиг. 1.
2
2
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/м. При этом мощность 0 Вт/м соответствует отсутствию лазерного излучения.
21
21
2
3
2
3
2
3
2
3
2
В качестве регистрируемого параметра выступает частотная зависимость (спектр) модуля комплексного коэффициента пропускания S (спектры ФМР). На Фиг. 2 показаны спектры коэффициента S при облучении образца лазерным излучением с плотностью оптической мощности 0 Вт/м, 2,1⋅10 Вт/м, 5,7⋅10 Вт/м, и 8,6⋅10 Вт/м. 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⋅10 Вт/м 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.