Bachelor's Thesis

Excitation of exchange spin waves using microwave nano antennas

Final Thesis 13.13 MB

Author of thesis: Ing. Kristýna Davídková

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewer: Ing. Jakub Holobrádek

Abstract:

The transmission and processing of information could be carried out by utilizing spin waves in the future. Using the possibility of encoding information into the amplitude and wave phase would lead to the acceleration of complex mathematical operations, while for their efficiency it is necessary to work with spin waves in the exchange mode, which are characterized by a short wavelength. However, exchange mode spin waves are not so easy to generate. This bachelor thesis deals with the generation and detection of exchange spin waves, which is performed using lithographically fabricated nanoantennas on the surface of an iron-yttrium garnet magnetic layer. The bachelor thesis also contains analytical calculations of excitation spectra of the generated nanoantennas of different shapes and sizes, whose model is verified by simulations and experiment.

Keywords:

Magnonics, exchange spin waves, dispersion relation, excitation spectrum, self and mutual inductance, Vector network analyzer, nanoantennas.

Date of defence

17.06.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo diskutováno: simulace magnetického pole antén výhody magnoniky oproti fotonice Studentka na otázky odpověděla

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (B3A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Bakalářská práce slečny Kristýny Davídkové se zabývá problematikou generování výměnných spinových za pomoci mikrovlnných nanoantén. Slečna Davídková při řešení bakalářského projektu projevila mimořádné schopnosti, píli a nadšení pro vědeckou práci. Tyto vlastnosti jsou reflektovány v její bakalářské práci, jež svým rozsahem a kvalitou výsledků v ní prezentovaných, snese srovnání s nejlepšími diplomovými pracemi předkládanými na ÚFI. Práce velmi přehledně a ve velkém detailu shrnuje teorii spinových vln, experimentální techniku spektroskopie spinových vln včetně jejího teoretického popisu a podrobného analytického modelu. Práce dále ve své experimentální části obsahuje popis přípravy vzorků nanoantén pomocí elektronové litografie a shrnutí provedených experimentů šíření výměnných spinových vln. Analýza naměřených dat a diskuse výsledků jsou rovněž na mimořádně vysoké úrovni. S potěšením konstatuji, že všechny cíle bakalářské práce byly splněny nebo dokonce překročeny, práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A
Display more

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Jakub Holobrádek

Na předložené bakalářské práci zabývající se výměnnými spinovými vlnami je zcela jistě potřeba ocenit její rozsah a šíři zpracování. Autorka v práci dokazuje širokou paletu svých kompetencí – práce se současnou literaturou z oblasti magnoniky, teorie magnetismu a spinových vln, analytické výpočty a simulace excitačních spekter nanoantén, netriviální litografie na nevodivých vzorcích, měření metodou VNA, analýza a interpretace naměřených VNA a BLS dat.
Úvod práce dobře nastiňuje pojednávanou problematiku a motivaci pro studium spinových vln. Z mého pohledu by některé termíny mohly být vysvětleny jasněji i pro čtenáře z jiných vědeckých oborů (např. co je to nanoanténa), čemuž by pomohlo i uvedení některých informací přímo v textu a nejen v poznámce pod čarou (např. co to jsou spinové vlny).
První kapitola práce se věnuje rešerši literatury ohledně možností buzení spinových vln. Rád bych vyzdvihl jednak množství relevantních citovaných článků a jednak jejich aktuálnost (tři články z let 2020 a 2021). Příště bych doporučil v textu u jednotlivých článků uvádět spíše autora než rok a časopis, ve kterém vyšel. V ostatních kapitolách práce se tak ostatně děje. Také bych zvážil, jestli je třeba vždy uvádět detaily typu přesných rozměrů a materiálů použitých v článku. Na některých místech kapitoly se tak děje a kvůli tomu zanikají hlavní závěry prezentovaných článků a jejich relevantnost pro autorčinu práci prezentovanou v dalších kapitolách. Přes samotné stromy tak nemusí být vidět celý les.   
Druhá kapitola práce se do detailu věnuje teorii potřebné pro experimentální část. Oceňuji poctivost zpracování, která se přetavila do 147 rovnic a logickou návaznost kapitoly, jež vychází od Maxwellových rovnic a končí u modelu Kalinikose a Slavina, který je potřebný pro popis výměnných spinových vln.
Ve třetí kapitole autorka pojednává o buzení a detekci spinových vln pomocí Vektorového obvodového analyzátoru. Zde je třeba vyzdvihnout velmi důkladné odvození přenosu spinových vln z budících do detekční antény pomocí vlastních indukčností. Stejně tak je třeba pochválit porovnání analytických a simulovaných (metoda konečných prvků) excitačních spekter různých tvarů antén. K naprosté dokonalosti postrádám lepší zpracování obrázku 3.6, který ač kruciální pro pochopení diskutované problematiky je velmi nepřehledný a nedostatečně okomentovaný. Jako lehce matoucí a pochopení bránící shledávám i nakládání s termíny excitační účinnost a excitační spektrum v sekci 3.2.2.
Čtvrtá kapitola prezentuje výrobu STR a MEA nanoantén v laboratořích CEITEC Nano. Popsaný postup výroby by šlo snadně vzít a zreplikovat jako recept z kuchařky. Jako náročný čtenář bych možná ocenil lepší vypořádání se s otázkami, které mi při čtení vytanuly jako: Proč jsou vyráběny právě tyto dva typy nanoantén? Proč je zvolena pro nanoantény právě tloušťka zlata 55 nm? Jak byly naměřeny reálné rozměry budících částí nanoantén?
Poslední pátá kapitola pojednává o samotných VNA měřeních. Zde je třeba vyzdvihnout grafické zpracování naměřených výsledků. Silný dojem také budí obrázky 5.5 a 5.8 jež ukazují souhlas experimentálně naměřených hodnot grupových rychlostí s teoretickým výpočtem. Na druhou stranu neshledávám jako úplně šťastné prezentaci dat z MEA5 antény pouze v dodatku G, když jsou následně plnohodnotně diskutovány v sekci 5.4. Úplně se mi nepozdává ani argumentace ohledně obrázku 5.11 prezentujícího BLS 2D měření propagujících se spinových vln. Tímto směrem míří i jedna z mých otázek.  
Závěr dobře shrnuje celou práci. Možná bych jen ocenil větší diskuzi možných aplikací zjištěných výsledků a zamyšlení se nad možnými směry dalšího výzkumu v této oblasti.
Není možné nezmínit, že práce obsahuje i seznam zkratek a 7 dodatků doplňujících samotný text práce.
Pokud bych musel vybrat nějakou slabinu práce bylo by to nakládání s obrázky. Dobrý dojmem nepůsobí nekonzistentnost k označování jednotlivých částí obrázků – někdy autorka neoznačuje panely obrázku vůbec (např. obrázek 3.6), někdy písmeny (např. obrázek 3.10) a někdy římskými číslicemi (obrázek 3.8). Podobnou nekonzistentnost nacházím i v různém umístění popisu obrázků (někdy pod obrázkem, někdy vedle něj). Na některých místech je obrázek umístěn dlouho před tím, než je diskutován v textu (např. obrázek 5.2 c). Dobrým dojmem také nepůsobí, když není obrázek zarovnán na vršek nebo spodek stránky a je tak pod ním třeba jen jedna věta textu (například na straně 49) nebo když má několik obrázků po sobě téměř totožný popisek (obrázky 4.3-4.5). 
Všechny výše zmíněné nedostatky, nechť jsou brány jako možné poučení do příštích let a nikterak silně nenarušují výborný dojem z nadstandartní bakalářské práce.
Celkově je předložená práce vynikající a z mého pohledu zcela zasluhuje hodnocení A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Na obrázku 2.6 jsou prezentovány módy stojatých spinových vln. Zamyslete se a diskutujte, jestli mód n=0 může existovat v obou případech okrajových podmínek, jak je na obrázku prezentováno.
  2. Jak je možné, že STR anténou byly naměřeny VNA data (viz obrázek 5.7), když dle obrázku 5.11 veškerá intenzita spinových vln směřuje mimo detekční anténu? Na základě čeho, byla zvolena pro BLS měření frekvence 9,6 GHz (v jakém místě byl tento test proveden)? V jakém vztahu je tato frekvence k FMR frekvenci? Diskutujte, jak by se BLS 2D mapa mohla změnit s jinými frekvencemi a jinou velikostí externího magnetického pole. Zamyslete se nad výsledky prezentovanými v referenci [55] a vašim obrázkem 5.10 a) a jejich vztahem k prezentované 2D mapě.
  3. V sekci 3.1 věnované VNA se píše, že „Ve stejném čase je vlna vyslána pouze z jednoho portu (druhý port je tedy pouze detekční pro přenesenou vlnu). V následujícím čase se poté vlna vysílá z druhého portu (v tomto případě první port slouží jako detekční pro přenesenou vlnu z druhého portu).” Jakým způsobem je tedy možné naměřit parametry S11 a S22 , které jsou představeny jako parametry obsahující informaci o spinové vlně vyslané a detekované stejným portem?
Display more

Grade proposed by reviewer: A