Анотація до роботи:

Черновцев С.В. Спектральні властивості одновимірних магнітокерованих фотонних кристалів у міліметровому діапазоні довжин хвиль. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за фахом 01.04.03 – радіофізика. Харківський національний університет радіоелектроніки МОН України, Харків, 2008.

Вирішено актуальне наукове завдання, яке полягає у визначенні закономірностей впливу зовнішнього статичного магнітного поля на спектральні властивості одновимірних магнітофотонних кристалів (МФК) на основі фериту в міліметровому діапазоні довжин хвиль. В результаті експериментально досліджено та проаналізовано особливості магнітопольових характеристик спектральних зон та резонансного піка пропускання. Показано, що МФК на основі фериту є перспективними для використання у якості швидкодійних елементів електронно-керованих приладів та пристроїв міліметрового та субміліметрового діапазонів довжин хвиль.

На основі методу матриць передачі розроблена методика для математичного моделювання одновимірних МФК із заданим типом залежності магнітної проникності від частоти, зовнішнього магнітного поля та температури в міліметровому діапазоні довжин хвиль.

Розроблено методику вимірювання частотних спектрів одновимірних МФК у діапазоні частот 23-40 ГГц у магнітному полі до 16 кЕ при температурах 296-353 К.

Експериментально та теоретично показано, що зсув зонної структури спектра поперечно намагніченого одновимірного МФК на основі фериту під впливом статичного магнітного поля відбувається в протилежні сторони частотного діапазону для хвиль із взаємноортогональною поляризацією.

Експериментально реалізована перебудова резонансної частоти одновимірного МФК із феритовим «дефектним» шаром за допомогою зовнішнього магнітного поля в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Ефективність перебудови резонансного піка в спектрі МФК за допомогою магнітного поля складає значну величину 1-2,5 МГц/Е.

Таким чином, у дисертаційній роботі наведено вирішення актуального наукового завдання, яке полягає у визначенні закономірностей впливу зовнішнього статичного магнітного поля на спектральні властивості одновимірних МФК на основі фериту в міліметровому діапазоні довжин хвиль. В результаті експериментально досліджено та проаналізовано особливості магнітопольових характеристик спектральних зон та резонансного піка пропускання. Показано, що МФК на основі фериту є перспективними для використання у якості швидкодійних елементів електронно-керованих приладів та пристроїв міліметрового та субміліметрового діапазонів довжин хвиль. Швидкодія таких елементів визначається часом спін-спінової релаксації фериту, величина якого не перевищує 10^-8 с.

При цьому отримано такі наукові і практичні результати:

1. На основі методу передатних матриць розроблена методика для математичного моделювання одновимірних МФК із заданим типом залежності магнітної проникності від частоти, зовнішнього магнітного поля та температури в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Отримана математична модель одновимірного МФК на основі фериту дозволяє розраховувати спектри пропускання, відбиття та поглинання МФК із урахуванням величини зовнішнього магнітного поля й температури МФК. Розбіжність результатів математичного моделювання та експериментальних результатів, що описують основні фізичні ефекти, не перевищує 5 % по частоті в дорезонансному діапазоні магнітних полів.

2. Розроблена методика вимірювання частотних спектрів одновимірних МФК дозволила експериментально дослідити залежність спектрів створених макетів МФК від магнітного поля та температури в діапазоні частот 23-40 ГГц у магнітному полі до 16 кЕ при температурах 296-353 К.

3. Показано, що ефективність перебудови зонної структури спектра збільшується в міру наближення частоти f_edge до резонансної частоти ФМР фериту у випадку поширення незвичайної хвилі. Таке поводження пояснюється резонансним характером залежності магнітної проникності фериту від зовнішнього магнітного поля та частоти електромагнітного випромінювання для незвичайної хвилі.

4. За допомогою розробленої методики експериментально показано, що зсув зонної структури спектра поперечно намагніченого одновимірного МФК на основі фериту під впливом статичного магнітного поля відбувається в протилежні сторони частотного діапазону для хвиль із взаємноортогональною поляризацією. При цьому при взаємній орієнтації магнітних полів відбувається монотонний зсув спектра пропускання одновимірного МФК у високочастотну область, а при взаємній орієнтації магнітних полів – у низькочастотну область, але тільки в області магнітних полів, де ферит не намагнічений до насичення. Ефективність перебудови спектра МФК, а зокрема границі забороненої зони, за допомогою магнітного поля складає значну величину c_H » 0,5-4 МГц/Е. Таке поводження спектра обумовлене залежністю магнітної проникності фериту в складі МФК від зовнішнього постійного магнітного поля. Зміна магнітного поля спричиняє зміну показника заломлення феритових шарів і як наслідок - зсув зонної структури спектра МФК у відповідність із умовою Брега.

5. Експериментально реалізована перебудова резонансної частоти одновимірного МФК із феритовим «дефектним» шаром за допомогою зовнішнього магнітного поля в міліметровому діапазоні довжин хвиль. Ефективність перебудови резонансного піка в спектрі МФК за допомогою магнітного поля складає значну величину 1-2,5 МГц/Е.

6. Експериментально показано, що МФК на основі фериту, який розміщений у порожньому прямокутному металевому хвилеводі, також демонструє зсув границі забороненої зони при зростанні величини магнітного поля. Ефективність перебудови частоти границі забороненої зони при цьому становить приблизно ту ж величину, що й у випадку необмеженого металевими стінками МФК.

7. Експериментально показано, що спектральні властивості МФК на основі фериту залежать від температури. Зі зростанням температури в діапазоні 296-353 К (23-80 C) частота границі забороненої зони зміщується в низькочастотну область для обох хвиль із взаємноортогональною поляризацією. Ефективність температурної перебудови границі забороненої зони c_t, в експерименті, складає відносно малу величину, що не перевищує 14 МГц/К. Отримані результати дозволили оцінити необхідний ступінь термостабілізації приладів на основі досліджених МФК. Залежність спектральних властивостей МФК від температури також можна розглядати як метод керування спектром МФК за допомогою температури. Хоча таке керування значно менш ефективніше, ніж керування за допомогою постійного магнітного поля внаслідок інерційності теплових процесів.

Наступним кроком досліджень є вивчення спектральних властивостей МФК на основі нанокомпозитних метаматеріалів, що проявляють ефект гігантського магнітоімпедансу та тунельного магнітоопору [5], а також магнітокерованих матеріалів з від’ємним показником заломлення (так званих «лівих середовищ» [6]).

Основні результати роботи викладені в публікаціях:

1. Черновцев С.В. Управление спектральными свойствами одномерного магнитофотонного кристалла с «дефектным» слоем / Черновцев С.В. // Радиотехника: Всеукр.межвед. науч.-техн. сб. – 2007. – Вып. 150. – С. 137-143.

2. Черновцев С.В. Моделирование одномерного магнитофотонного кристалла в миллиметровом диапазоне длин волн / Черновцев С.В., Тарапов С.И. // Радиофизика и электроника: сб. науч. трудов / Ин-т радиофизики и электроники им. А.Я. Усикова НАН Украины. – 2006. – Т.11, №3. – С. 415-420.

3. Chernovtsev S.V. Magnetically controllable 1D magnetophotonic crystal in millimeter wavelength band / Chernovtsev S.V., Belozorov D. P., Tarapov S. I. // J. Phys. D: Appl. Phys. – 2007. – Vol. 40. – P. 295–299.

4. Chernovtsev S.V. Simulation of magnetically controllable photonic bandgap structures / Chernovtsev S.V., Pavlov A. I., Tarapov S.I. // Proceedings of SPIE. – 2007. – Vol. 6796. – P. 67961A-1–67961A-11.

5. Chernovtsev S.V. 1D magnetophotonic waveguide crystal for millimeter waveband / Chernovtsev S.V., Tarapov S.I. // The 6-th International Kharkov Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW '07) : int. symp., 25-30 June 2007 : conf. proc. – Kharkov, 2007. – P.240-242.

6. Черновцев С.В. Управление спектральными свойствами одномерного магнитофотонного кристалла с «дефектным» слоем / Черновцев С.В. // VI Харьковская конференция молодых ученых “Радиофизика и СВЧ электроника” : конф., 13-14 декабря 2006 : сборник аннотаций докладов. – Харьков, 2006. – С. 51-52.

7. Черновцев С.В. Управление спектральными свойствами магнитной многослойной периодической структуры / Черновцев С.В., Ходзицкий М.К., Недух С.В. // V Харьковская конференция молодых ученых “Радиофизика и СВЧ электроника” : конф., 14-16 декабря 2005 : сборник аннотаций докладов. – Харьков, 2005. – С. 24-25.

8. Черновцев С.В. Термозависимые спектральные свойства одномерных магнитофотонных кристаллов / Черновцев С.В. // 4-я Международная научно-техническая конференция „Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций” (РТ-2008) : межд. конф., 21-25 апреля 2008 : сборник аннотаций докладов. – Севастополь, 2008. – С. 369.

Список цитованої літератури

1.Yablonovitch E. Inhibited spontaneous emission in solid-state physics and electronics / Yablonovitch E. // Phys. Rev. Lett. – 1987. – Vol. 58. – P. 2059.

2. Joannopoulos J.D. Photonic crystals: putting a new twist on light / Joannopoulos J.D., Villeneuve P.R., Fan S. // Nature. – 1997. – Vol. 386. – P. 143.

3. Merzlikin A.M. Giant photonic Hall effect in magnetophotonic crystals / Merzlikin A.M., Vinogradov A.P., Inoue M., Granovsky A.B. // Phys. Rev. E Stat. Nonlin. Soft. Matter. Phys. – 2005. – Vol. 72, № 4. – P. 046603

4. Борн М. Основы оптики / Борн М., Вольф Е. – М.: Наука, 1970. – 855 с.

5. Tarapov S. Extra high frequency features of nanogranular magnets with GMI / Tarapov S., Bagmut T., Derkach V., Nedukh S., Yildiz F., Kazan S. // JMMM. – 2006. – V.300, № 1. – P. e78-e81.

6. Zhao H. Magnetotunable left-handed material consisting of yttrium iron garnet slab and metallic wires / Zhao H., Zhou J., Zhao Q., Li B., Kang L. // Applied Physics Letters. – 2007. – Vol. 91. – P. 131107.

Анотації