钇铁石榴石微带中自旋波的传输特性及调控研究

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自旋波是磁有序材料中磁矩的集体激发现象。利用自旋波进行数据传输和处理具有低功耗、高效率等优点,近年来,相关研究已逐渐成为前沿热点。随着现代图形化薄膜工艺特征尺寸的减小,微带波导成为了许多自旋波的器件功能的实现载体。因此,微带波导中自旋波的传输特性及调控方法成为了工程应用的关键。在制备微带波导的材料中,钇铁石榴石(Y3Fe50i2: Y I G )具有较长的自旋波衰减长度,因此被广泛地应用于传输特性研究。YIG又具有较低的饱和磁化强度和磁晶各向异性,因此容易用外磁场调节材料内部有效场的大小。本文利用侧面坡莫(Ni8iFei9: P y )合金微磁结构对YIG微带波导进行磁化,对其中自旋波的传输特性和调控机制进行了系统的理论分析、仿真研究与实验验证,为今后相关的器件功能设计奠定了理论和实践基础。主要内容包括:
  1、利用磁控溅射分别制备了YIG和Py薄膜,使用铁磁共振实验对二者的阻尼系数、磁化强度及铁磁共振线宽进行了表征,为自旋波在YIG微带波导中的传输研究提供材料参数依据。同时,设计并制备了对应的图形化薄膜,利用布里渊区光散射实验,验证了理论分析和仿真研究中的自旋波传输特性及调控规律。
  2、提出了用侧面Py微带磁化YIG微带的模型。利用这一模型,通过微磁仿真发现边界模式自旋波色散曲线被分裂。在特征频率下,分析对比了YIG微带波导两侧的边界模式自旋波的波长、群速度和衰减长度。同时,进一步探索了在宽度方向上Py微带引入的非均匀的静态偶极场的作用,探索了调控边界模式自旋波传输特性的机制。这一研究为基于自旋波干涉的新型逻辑元件设计提供了新的思路。
  3、通过理论计算,研究了YIG微带波导模式自旋波中的奇数和偶数模式的相互干涉,以及奇、偶模式间相位差和传输图像的关系。通过建立用侧面Py圆盘磁化YIG微带的模型,探索了调控相位差的方法:利用微磁仿真,证明相位差可以通过调整侧面微磁体Py圆盘和激发源的相对位置调控;综合利用薄膜图形化工艺和布里渊区光散射实验,证明相位差可以受外磁场强度调控。
  4、通过微磁仿真和BLS实验,研究了在被侧面Py微带重构的YIG微带模型中,波导自旋波的传输特性。在外磁场恒定的条件下,研究了不同频率的自旋波在微带波导中的位置;以及外场对一定频率自旋波传输通道位置的调控原理。在此基础上,本文通过薄膜工艺研制了自旋波的频分复用器,并通过BLS实验验证了其功能:在同一YIG微带波导中,具有不同频率的自旋波可以同步、隔离和独立地传输。这些研究有助于实现自旋波信息的并行传输和处理。
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