MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING
Subject and Purpose. This paper presents numerical simulation results on the transmission spectra of a split-ring resonator (SRR) loaded with a thin film of yttrium iron garnet (YIG). The application of a magnetic core in the SRR is proposed for increasing the photon-magnon (P-M) coupling strength....
Gespeichert in:
| Datum: | 2024 |
|---|---|
| Hauptverfasser: | , , , , , |
| Format: | Artikel |
| Sprache: | English |
| Veröffentlicht: |
Видавничий дім «Академперіодика»
2024
|
| Schlagworte: | |
| Online Zugang: | http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1448 |
| Tags: |
Tag hinzufügen
Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
|
| Назва журналу: | Radio physics and radio astronomy |
Institution
Radio physics and radio astronomy| id |
oai:ri.kharkov.ua:article-1448 |
|---|---|
| record_format |
ojs |
| institution |
Radio physics and radio astronomy |
| baseUrl_str |
|
| datestamp_date |
2024-09-19T14:36:05Z |
| collection |
OJS |
| language |
English |
| topic |
photon-magnon coupling planar resonator ferromagnetic resonance transmission spectra magnetic core |
| spellingShingle |
photon-magnon coupling planar resonator ferromagnetic resonance transmission spectra magnetic core Vakula, A. S. Polevoy, S. Yu. Sova, K. Yu. Girich, A. A. Tarapov, S. I. Nedukh, S. V. MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING |
| topic_facet |
photon-magnon coupling planar resonator ferromagnetic resonance transmission spectra magnetic core фотон-магнонний зв’язок планарний резонатор феромагнітний резонанс спектри пропускання магнітопровід |
| format |
Article |
| author |
Vakula, A. S. Polevoy, S. Yu. Sova, K. Yu. Girich, A. A. Tarapov, S. I. Nedukh, S. V. |
| author_facet |
Vakula, A. S. Polevoy, S. Yu. Sova, K. Yu. Girich, A. A. Tarapov, S. I. Nedukh, S. V. |
| author_sort |
Vakula, A. S. |
| title |
MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING |
| title_short |
MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING |
| title_full |
MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING |
| title_fullStr |
MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING |
| title_full_unstemmed |
MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING |
| title_sort |
magnetic core application in a planar resonator with a yttrium iron garnet film for enhancing strong photon-magnon coupling |
| title_alt |
ЗАСТОСУВАННЯ МАГНІТНОГО ОСЕРДЯ В ПЛАНАРНОМУ РЕЗОНАТОРІ З ПЛІВКОЮ ЗАЛІЗОІТРІЄВОГО ГРАНАТУ ДЛЯ ПІДСИЛЕННЯ ФОТОН-МАГНОННОГО ЗВ’ЯЗКУ |
| description |
Subject and Purpose. This paper presents numerical simulation results on the transmission spectra of a split-ring resonator (SRR) loaded with a thin film of yttrium iron garnet (YIG). The application of a magnetic core in the SRR is proposed for increasing the photon-magnon (P-M) coupling strength. The anticrossing effect in the frequency dispersion behavior of the SRR modes and YIG film ferromagnetic resonance modes, namely SRR-YIG coupled modes, is identified. The dimensional parameters of the SRR with a magnetic core are calculated, taking care to preserve the design compactness and striving to obtain a maximum possible spin-number-normalized coupling strength for such a system. The work has been aimed at evaluating the efficiency of applying the magnetic core as a part of the planar microwave resonator to enhance the P-M coupling strength.Methods and Methodology. The transmission coefficient |S21| spectra of electromagnetic waves propagating through the planar resonator with the YIG film under the ferromagnetic resonance condition are numerically studied using the CST Studio Suite package in the frequency domain. The spatial distribution function of the magnetic field strength is calculated for the two scenarios of YIG film location: near the magnetic core (between the SRR and the feeding stripline) and inside the magnetic core (in the SRR center). Also, for each of these two scenarios, the transmission coefficient |S21| spectra of the wave propagation through the feeding stripline in the region of SRR-YIG coupled modes are simulated with and without the magnetic core. The dispersion curves of the SRR-YIG coupled modes are obtained in analytical terms.Results. It has been shown that the magnetic core application increases the P-M coupling strength 2.0 times in the scenario of YIG film location near the magnetic core (between the SRR and the feeding stripline). When the YIG film is inside the magnetic core (in the SRR center), the P-M coupling strength rises 2.3 times compared to similar cases without the magnetic core.Conclusions. The suggested magnetic core application can be used to increase the P-M coupling strength in the SRR — magnetic film resonant system, striving to develop effective microwave-to-optical converters and create efficient information exchange between quantum computers.Keywords: photon-magnon coupling, planar resonator, ferromagnetic resonance, transmission spectra, magnetic coreManuscript submitted 03.11.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(3): 222-228REFERENCES 1. Biswanath, Bhoi, Sang-Koog, Kim, 2019. Photon-magnon coupling: Historical perspective, status, and future directions. Solid State Phys., 70, pp. 1—77. DOI: https://doi.org/10.1016/bs.ssp.2019.09.001 2. Pendry, J.B., Holden, A.J., Robbins, D.J., Stewart, W.J., 1999. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 47, pp. 2075—2084. DOI: https://doi.org/10.1109/22.798002 3. Dou, Y., Ouyang, Z., Thummala, P., and Andersen, M.A.E., 2018. PCB embedded inductor for high-frequency ZVS SEPIC conver- ter. In: 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 98—104. DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2018.8340994 4. Taylor, L., Margueron, X., Le Menach, Yv., Le Moigne, Ph., 2017. Numerical modelling of PCB planar inductors: impact of 3D modelling on high-frequency copper loss evaluation. IET Power Electron., 10(14), pp. 1966—1974. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2017.0086 5. Fitzgerald, A.E., Kingsley JR., C., Umans, S.D., 2003. Electric Machinery. 6th ed. McGraw-Hill. ISBN-13: 978-0-07-053039-3, ISBN: 0-07-053039-4 6. Bhoi, B., Kim, B., Kim, J., Cho, Y.-J., Kim, S.-K., 2017. Robust magnon-photon coupling in a planar-geometry hybrid of inverted split-ring resonator and YIG film. Sci. Rep., 7, 11930. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-12215-8 7. Zhang, D., Song, W., Chai, G., 2017. Spin-wave magnon-polaritons in a split-ring resonator/single-crystalline YIG system. J. Phys. D: Appl. Phys., 50(20), 205003. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa68cf 8. Klingler, S., Maier-Flaig, H., Gross, R., Hu, C.-M., Huebl, H., Goennenwein, S.T.B., Weiler, M., 2016. Combined Brillouin light scattering and microwave absorption study of magnon-photon coupling in a split-ring resonator/YIG film system. Appl. Phys. Lett., 109(7), 072402. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4961052 9. Tay, Z.J., Soh, W.T., Ong, C.K., 2018. Observation of electromagnetically induced transparency and absorption in Yttrium Iron Garnet loaded split ring resonator. J. Magn. Magn. Mater., 451, pp. 235—242. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.11.029 10. Bhoi, B., Cliff, T., Maksymov, I.S., Kostylev, M., Aiyar, R., Venkataramani, N., Prasad, S., Stamps, R.L., 2014. Study of photon- magnon coupling in a YIG-film split-ring resonant system. J. Appl. Phys., 116(24), 243906. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4904857 11. Nicholson, D.B., 1990. Hexagonal ferrites for millimeter–wave applications. Hewlett–Packard J., 41(5), pp. 59—61. |
| publisher |
Видавничий дім «Академперіодика» |
| publishDate |
2024 |
| url |
http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1448 |
| work_keys_str_mv |
AT vakulaas magneticcoreapplicationinaplanarresonatorwithayttriumirongarnetfilmforenhancingstrongphotonmagnoncoupling AT polevoysyu magneticcoreapplicationinaplanarresonatorwithayttriumirongarnetfilmforenhancingstrongphotonmagnoncoupling AT sovakyu magneticcoreapplicationinaplanarresonatorwithayttriumirongarnetfilmforenhancingstrongphotonmagnoncoupling AT girichaa magneticcoreapplicationinaplanarresonatorwithayttriumirongarnetfilmforenhancingstrongphotonmagnoncoupling AT tarapovsi magneticcoreapplicationinaplanarresonatorwithayttriumirongarnetfilmforenhancingstrongphotonmagnoncoupling AT nedukhsv magneticcoreapplicationinaplanarresonatorwithayttriumirongarnetfilmforenhancingstrongphotonmagnoncoupling AT vakulaas zastosuvannâmagnítnogooserdâvplanarnomurezonatorízplívkoûzalízoítríêvogogranatudlâpídsilennâfotonmagnonnogozvâzku AT polevoysyu zastosuvannâmagnítnogooserdâvplanarnomurezonatorízplívkoûzalízoítríêvogogranatudlâpídsilennâfotonmagnonnogozvâzku AT sovakyu zastosuvannâmagnítnogooserdâvplanarnomurezonatorízplívkoûzalízoítríêvogogranatudlâpídsilennâfotonmagnonnogozvâzku AT girichaa zastosuvannâmagnítnogooserdâvplanarnomurezonatorízplívkoûzalízoítríêvogogranatudlâpídsilennâfotonmagnonnogozvâzku AT tarapovsi zastosuvannâmagnítnogooserdâvplanarnomurezonatorízplívkoûzalízoítríêvogogranatudlâpídsilennâfotonmagnonnogozvâzku AT nedukhsv zastosuvannâmagnítnogooserdâvplanarnomurezonatorízplívkoûzalízoítríêvogogranatudlâpídsilennâfotonmagnonnogozvâzku |
| first_indexed |
2025-07-17T11:24:57Z |
| last_indexed |
2025-07-17T11:24:57Z |
| _version_ |
1839677716312358912 |
| spelling |
oai:ri.kharkov.ua:article-14482024-09-19T14:36:05Z MAGNETIC CORE APPLICATION IN A PLANAR RESONATOR WITH A YTTRIUM IRON GARNET FILM FOR ENHANCING STRONG PHOTON-MAGNON COUPLING ЗАСТОСУВАННЯ МАГНІТНОГО ОСЕРДЯ В ПЛАНАРНОМУ РЕЗОНАТОРІ З ПЛІВКОЮ ЗАЛІЗОІТРІЄВОГО ГРАНАТУ ДЛЯ ПІДСИЛЕННЯ ФОТОН-МАГНОННОГО ЗВ’ЯЗКУ Vakula, A. S. Polevoy, S. Yu. Sova, K. Yu. Girich, A. A. Tarapov, S. I. Nedukh, S. V. photon-magnon coupling; planar resonator; ferromagnetic resonance; transmission spectra; magnetic core фотон-магнонний зв’язок; планарний резонатор; феромагнітний резонанс; спектри пропускання; магнітопровід Subject and Purpose. This paper presents numerical simulation results on the transmission spectra of a split-ring resonator (SRR) loaded with a thin film of yttrium iron garnet (YIG). The application of a magnetic core in the SRR is proposed for increasing the photon-magnon (P-M) coupling strength. The anticrossing effect in the frequency dispersion behavior of the SRR modes and YIG film ferromagnetic resonance modes, namely SRR-YIG coupled modes, is identified. The dimensional parameters of the SRR with a magnetic core are calculated, taking care to preserve the design compactness and striving to obtain a maximum possible spin-number-normalized coupling strength for such a system. The work has been aimed at evaluating the efficiency of applying the magnetic core as a part of the planar microwave resonator to enhance the P-M coupling strength.Methods and Methodology. The transmission coefficient |S21| spectra of electromagnetic waves propagating through the planar resonator with the YIG film under the ferromagnetic resonance condition are numerically studied using the CST Studio Suite package in the frequency domain. The spatial distribution function of the magnetic field strength is calculated for the two scenarios of YIG film location: near the magnetic core (between the SRR and the feeding stripline) and inside the magnetic core (in the SRR center). Also, for each of these two scenarios, the transmission coefficient |S21| spectra of the wave propagation through the feeding stripline in the region of SRR-YIG coupled modes are simulated with and without the magnetic core. The dispersion curves of the SRR-YIG coupled modes are obtained in analytical terms.Results. It has been shown that the magnetic core application increases the P-M coupling strength 2.0 times in the scenario of YIG film location near the magnetic core (between the SRR and the feeding stripline). When the YIG film is inside the magnetic core (in the SRR center), the P-M coupling strength rises 2.3 times compared to similar cases without the magnetic core.Conclusions. The suggested magnetic core application can be used to increase the P-M coupling strength in the SRR — magnetic film resonant system, striving to develop effective microwave-to-optical converters and create efficient information exchange between quantum computers.Keywords: photon-magnon coupling, planar resonator, ferromagnetic resonance, transmission spectra, magnetic coreManuscript submitted 03.11.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(3): 222-228REFERENCES 1. Biswanath, Bhoi, Sang-Koog, Kim, 2019. Photon-magnon coupling: Historical perspective, status, and future directions. Solid State Phys., 70, pp. 1—77. DOI: https://doi.org/10.1016/bs.ssp.2019.09.001 2. Pendry, J.B., Holden, A.J., Robbins, D.J., Stewart, W.J., 1999. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 47, pp. 2075—2084. DOI: https://doi.org/10.1109/22.798002 3. Dou, Y., Ouyang, Z., Thummala, P., and Andersen, M.A.E., 2018. PCB embedded inductor for high-frequency ZVS SEPIC conver- ter. In: 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 98—104. DOI: https://doi.org/10.1109/APEC.2018.8340994 4. Taylor, L., Margueron, X., Le Menach, Yv., Le Moigne, Ph., 2017. Numerical modelling of PCB planar inductors: impact of 3D modelling on high-frequency copper loss evaluation. IET Power Electron., 10(14), pp. 1966—1974. DOI: https://doi.org/10.1049/iet-pel.2017.0086 5. Fitzgerald, A.E., Kingsley JR., C., Umans, S.D., 2003. Electric Machinery. 6th ed. McGraw-Hill. ISBN-13: 978-0-07-053039-3, ISBN: 0-07-053039-4 6. Bhoi, B., Kim, B., Kim, J., Cho, Y.-J., Kim, S.-K., 2017. Robust magnon-photon coupling in a planar-geometry hybrid of inverted split-ring resonator and YIG film. Sci. Rep., 7, 11930. DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-017-12215-8 7. Zhang, D., Song, W., Chai, G., 2017. Spin-wave magnon-polaritons in a split-ring resonator/single-crystalline YIG system. J. Phys. D: Appl. Phys., 50(20), 205003. DOI: https://doi.org/10.1088/1361-6463/aa68cf 8. Klingler, S., Maier-Flaig, H., Gross, R., Hu, C.-M., Huebl, H., Goennenwein, S.T.B., Weiler, M., 2016. Combined Brillouin light scattering and microwave absorption study of magnon-photon coupling in a split-ring resonator/YIG film system. Appl. Phys. Lett., 109(7), 072402. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4961052 9. Tay, Z.J., Soh, W.T., Ong, C.K., 2018. Observation of electromagnetically induced transparency and absorption in Yttrium Iron Garnet loaded split ring resonator. J. Magn. Magn. Mater., 451, pp. 235—242. DOI: https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2017.11.029 10. Bhoi, B., Cliff, T., Maksymov, I.S., Kostylev, M., Aiyar, R., Venkataramani, N., Prasad, S., Stamps, R.L., 2014. Study of photon- magnon coupling in a YIG-film split-ring resonant system. J. Appl. Phys., 116(24), 243906. DOI: https://doi.org/10.1063/1.4904857 11. Nicholson, D.B., 1990. Hexagonal ferrites for millimeter–wave applications. Hewlett–Packard J., 41(5), pp. 59—61. Предмет і мета роботи. У статті представлено результати чисельного моделювання спектрів пропускання резонатора з розділеним кільцем (РРК), навантаженого тонкою плівкою залізоітрієвого гранату (ЗІГ). Запропоновано застосування магнітопроводу в РРК для підсилення фотон-магнонного (ФМ) зв’язку. Зареєстровано ефект антикросингу в поведінці частотної дисперсії мод РРК і феромагнітного резонансу плівки ЗІГ, а саме зв’язаних мод РРК-ЗІГ. Розмірні параметри РРК з магнітопроводом обчислюються з урахуванням компактності конструкції та прагнення отримати максимально можливу силу зв’язку, нормовану за числом спінів для такої системи. Робота спрямована на оцінку ефективності застосування магнітопроводу в складі планарного мікрохвильового резонатора для підсилення ФМ-зв’язку.Методи та методологія. Чисельно досліджено спектри коефіцієнта пропускання |S21| електромагнітних хвиль, що проходять через планарний резонатор із плівкою ЗІГ в умовах феромагнітного резонансу, за допомогою пакету CST Studio Suite в частотній області. Функція просторового розподілу напруженості магнітного поля розрахована для двох сценаріїв розміщення плівки ЗІГ: біля магнітопроводу (між РРК та смужковою лінійкою) і всередині магнітопроводу (в центрі РРК). Крім того, для кожного з цих двох сценаріїв було промодельовано спектри коефіцієнта пропускання |S21| хвиль, що розповсюджуються через смужкову лінію в області зв’язаних мод РРК-ЗІГ за наявності магнітного осердя і без нього. Дисперсійні криві зв’язаних мод РРК-ЗІГ було отримано в аналітичній формі.Результати. Показано, що при застосуванні магнітопроводу сила ФМ-зв’язку збільшується вдвічі за умови розташування плівки ЗІГ поблизу магнітопроводу (між РРК і смужковою лінійкою). Коли плівка ЗІГ знаходиться всередині магнітного осердя (у центрі РРК), сила ФМ-зв’язку збільшується в 2.3 рази порівняно з аналогічними випадками без магнітного осердя.Висновки. Застосування магнітного осердя в резонансній системі "РРК-магнітна плівка" дає можливість збільшувати силу ФМ-зв’язку для розробки ефективних перетворювачів хвиль НВЧ-діапазону в оптичний та забезпечення якісногообміну інформацією між квантовими комп’ютерами.Ключові слова: фотон-магнонний зв’язок, планарний резонатор, феромагнітний резонанс, спектри пропускання, магнітопровідСтаття надійшла до редакції 03.11.2023Radio phys. radio astron. 2024, 29(3): 222-228БІБЛІОГРАФІЧНИЙ СПИСОК 1. Biswanath, Bhoi, Sang-Koog, Kim, 2019. Photon-magnon coupling: Historical perspective, status, and future directions. Solid State Phys., 70, pp. 1—77. DOI: /10.1016/bs.ssp.2019.09.001 2. Pendry, J.B., Holden, A.J., Robbins, D.J., Stewart, W.J., 1999. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena.IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 47, pp. 2075—2084. 3. Dou, Y., Ouyang, Z., Thummala, P., and Andersen, M.A.E., 2018. PCB embedded inductor for high-frequency ZVS SEPIC conver- ter. In: 2018 IEEE Applied Power Electronics Conference and Exposition (APEC), pp. 98—104. DOI: 10.1109/APEC.2018.8340994 4. Taylor, L., Margueron, X., Le Menach, Yv., Le Moigne, Ph., 2017. Numerical modelling of PCB planar inductors: impact of 3D modelling on high-frequency copper loss evaluation. IET Power Electron., 10(14), pp. 1966—1974. DOI: 10.1049/iet-pel.2017.0086 5. Fitzgerald, A.E., Kingsley JR., C., Umans, S.D., 2003. Electric Machinery. 6th ed. McGraw-Hill. ISBN-13: 978-0-07-053039-3, ISBN: 0-07-053039-4 6. Bhoi, B., Kim, B., Kim, J., Cho, Y.-J., Kim, S.-K., 2017. Robust magnon-photon coupling in a planar-geometry hybrid of inverted split-ring resonator and YIG film. Sci. Rep., 7, 11930. DOI: 10.1038/s41598-017-12215-8 7. Zhang, D., Song, W., Chai, G., 2017. Spin-wave magnon-polaritons in a split-ring resonator/single-crystalline YIG system. J. Phys. D: Appl. Phys., 50(20), 205003. DOI: 10.1088/1361-6463/aa68cf 8. Klingler, S., Maier-Flaig, H., Gross, R., Hu, C.-M., Huebl, H., Goennenwein, S.T.B., Weiler, M., 2016. Combined Brillouin light scattering and microwave absorption study of magnon-photon coupling in a split-ring resonator/YIG film system. Appl. Phys. Lett., 109(7), 072402. DOI: 10.1063/1.4961052 9. Tay, Z.J., Soh, W.T., Ong, C.K., 2018. Observation of electromagnetically induced transparency and absorption in Yttrium Iron Garnet loaded split ring resonator. J. Magn. Magn. Mater., 451, pp. 235—242. DOI: 10.1016/j.jmmm.2017.11.029 10. Bhoi, B., Cliff, T., Maksymov, I.S., Kostylev, M., Aiyar, R., Venkataramani, N., Prasad, S., Stamps, R.L., 2014. Study of photon- magnon coupling in a YIG-film split-ring resonant system. J. Appl. Phys., 116(24), 243906. DOI: 10.1063/1.4904857 11. Nicholson, D.B., 1990. Hexagonal ferrites for millimeter–wave applications. Hewlett–Packard J., 41(5), pp. 59—61. Видавничий дім «Академперіодика» 2024-09-17 Article Article application/pdf http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1448 10.15407/rpra29.03.222 РАДИОФИЗИКА И РАДИОАСТРОНОМИЯ; Vol 29, No 3 (2024); 222 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY; Vol 29, No 3 (2024); 222 РАДІОФІЗИКА І РАДІОАСТРОНОМІЯ; Vol 29, No 3 (2024); 222 2415-7007 1027-9636 10.15407/rpra29.03 en http://rpra-journal.org.ua/index.php/ra/article/view/1448/pdf Copyright (c) 2024 RADIO PHYSICS AND RADIO ASTRONOMY |