Феррито-диэлектрические структуры относятся к классу метаматериалов, в которых электродинамические свойства определяются не только химическим составом, но и геометрией, масштабом и особенностями пространственного распределения ферромагнитных включений в диэлектрической матрице. Их ключевая особенность заключается в управляемости электромагнитных характеристик внешним магнитным полем, что делает возможным динамическое регулирование параметров таких систем.
В основе лежит взаимодействие электромагнитных волн с ферритами – кристаллическими соединениями на основе оксидов железа, обладающими высокой магнитной проницаемостью и выраженными резонансными свойствами в СВЧ- и терагерцовом диапазонах. Добавление диэлектрических элементов позволяет изменять эффективную диэлектрическую проницаемость и формировать широкий диапазон управляемых откликов.
Анизотропия проницаемостей. Ферриты в магнитном поле становятся анизотропными: их тензор магнитной проницаемости имеет несамосопряжённую форму, что ведёт к несимметричной дисперсии волн. При этом диэлектрическая матрица определяет среднее значение диэлектрической проницаемости, а ферритовые включения задают динамический диапазон управления.
Ферромагнитный резонанс. Внешнее постоянное магнитное поле вызывает прецессию спинов в феррите. На частотах, близких к частоте ферромагнитного резонанса (ФМР), наблюдается резкое изменение проницаемости, что позволяет перестраивать параметры метаматериала с высокой чувствительностью.
Когерентные эффекты. Комбинация ферритовых и диэлектрических элементов формирует условия для появления запрещённых зон, связанных с фотонными кристаллическими эффектами, и сильных дисперсионных зависимостей. Таким образом, магнитно-управляемые структуры могут проявлять свойства отрицательного показателя преломления, электромагнитного поглощения или селективного пропускания.
Слоистые структуры. Чередование тонких слоёв феррита и диэлектрика позволяет формировать эффективную среду с управляемыми значениями эффективной диэлектрической и магнитной проницаемостей. Величины зависят от толщины слоёв и частоты возбуждения.
Решётчатые и волноводные системы. В феррито-диэлектрических решётках элементы (стержни, пластины, цилиндры) располагаются периодически, что обеспечивает возникновение фотонных зонных структур. Управление магнитным полем смещает границы запрещённых зон и меняет характер прохождения волн.
Микрополосковые линии и планарные структуры. Интеграция ферритовых включений в диэлектрические подложки микрополосковых линий позволяет создавать устройства СВЧ-диапазона: перестраиваемые фильтры, фазовращатели, изоляторы и циркуляторы.
Внешнее постоянное поле. При приложении магнитного поля изменяются тензорные компоненты магнитной проницаемости феррита. Это ведёт к смещению частотных характеристик устройства, в том числе положения резонансов и полос пропускания.
Переменные и модулированные поля. Применение переменного или пульсирующего магнитного поля позволяет реализовывать динамическую перестройку свойств в реальном времени. Возможны режимы амплитудной и фазовой модуляции проходящих электромагнитных волн.
Локальное управление. Использование микромагнитов или токовых управляющих проводников создаёт неоднородное распределение поля, позволяя пространственно изменять свойства метаматериала и формировать функциональные градиентные среды.
Полосовые фильтры. Феррито-диэлектрические структуры могут проявлять резко выраженные фильтрующие свойства, формируя узкие полосы пропускания или подавления. Положение и ширина этих полос управляются величиной внешнего поля.
Резонансные режимы. Вблизи ферромагнитного резонанса появляются сильные нелинейные и дисперсионные эффекты: усиление поглощения, замедление групповой скорости, появление эффектов отрицательного преломления.
Поляризационные эффекты. Благодаря гиротропным свойствам ферритов наблюдаются эффекты неравновесной поляризации: вращение плоскости поляризации (эффект Фарадея), различие фазовых скоростей для правой и левой круговых поляризаций.
СВЧ-техника. Наиболее активно такие структуры используются в радиотехнике и телекоммуникациях: для создания перестраиваемых фильтров, антенн с регулируемой диаграммой направленности, а также фазовращателей.
Нанофотоника и терагерцовая техника. В области терагерцового диапазона магнитно-управляемые структуры применяются для создания фотонных кристаллов с регулируемыми запрещёнными зонами и устройств селективного поглощения.
Сенсорика. Изменение параметров метаматериала под действием слабых магнитных полей используется для разработки чувствительных сенсоров и систем регистрации электромагнитного излучения.
Интегральные схемы нового поколения. Феррито-диэлектрические структуры могут быть включены в состав микросхем, обеспечивая компактные элементы управления сигналом на уровне чипа, что особенно перспективно для СВЧ- и миллиметрового диапазонов.