Bachelor's Thesis

Spin waves in non-trivial magnetic landscapes

Final Thesis 14.46 MB

Author of thesis: Bc. Jan Klíma

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Reviewer: Dr. Ing. Michal Staňo

Abstract:

Magnonics is a branch of physics dealing with spin waves, or their quanta – magnons. Spin waves are one of the candidates for beyond CMOS technology. Circuits and components utilizing the properties of spin waves have the potential to complement or replace the current technologies based on CMOS chips, which are nearing their physical limit. Information processing via spin waves requires the ability to effectively steer spin waves in magnonic circuits, especially in variously bent waveguides connecting individual circuit elements. Due to spin waves’ anisotropic behaviour, this remains on of the challenges to tackle. In the presented thesis, we used corrugating of the magnetic layer of the waveguides, which induces uniaxial magnetic anisotropy, with which we can control the magnetisation landscape in the waveguide with sub-micrometre precision. Using this approach, we can achieve zero-field-propagation of spin waves in desired modes in arbitrary directions. To aid our designs, we developed a model that analyses energy contributions and calculates the resulting effective magnetic field. Using this model and a thorough analysis of the dispersion relation, we designed a bent magnonic waveguide capable of steering spin waves, which we demonstrated by Brillouin light scattering microscopy.

Keywords:

magnonics, spin waves, local magnetisation control, steering spin waves, corrugation, Brillouin light scattering, caustics, curvilinear magnetism, 3D nanostructures

Date of defence

22.06.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Určení grupové rychlosti vlny. Volba směru čar v zatáčce vlnovodu. Dochází k odrazu na rozhraních? Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (B-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Bakalářská práce pana Jana Klímy se zabývá studiem propagace spinových vln v prostředí s netriviální distribucí magnetizace. Toto téma je vysoce aktuální v kontextu současného vývoje na poli spintroniky a spinových vln a navazuje na předešlou výzkumnou činnost prováděnou ve skupině Michala Urbánka. Pan Klíma nejen po dobu řešení bakalářského projektu pracoval velmi svědomitě, což mu umožnilo velice rychle se zorientovat v současném poznání v oblasti spinových vln. Tyto vědomosti byly následně přeneseny do rešeršní části práce, která splnila zadání bezezbytku.V praktické části student zdokonalil teoretický model pro návrh efektivního řízení směru magnetizace. Pro ověření návrhu byl studentem vytvořen vzorek, který poté samostatně charakterizoval za použití Kerrovy mikroskopie a Brillouinova rozptylu světla. Bohužel, vzorek trpěl určitými nedostatky, které zatím brání publikování práce v prestižním odborném časopise.Nicméně provedené experimenty jsou na špičkové světové úrovni v oblasti řízení spinových vln a práce je tak důležitým příspěvkem a byla prezentována na mezinárodní konferenci „Joint European Magnetic Symposium 2023“ ve Varšavě. Pan Klíma se aktivně zapojuje do chodu celé magnonické skupiny, což vyústilo v spoluautorství již dvou odborných publikací.S potěšením konstatuji, že všechny cíle diplomové práce byly splněny nebo dokonce překročeny, diplomovou 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
Dr. Ing. Michal Staňo

Práce pojednává o ovládání (směru) šíření spinových vln pomocí lokální změny (efektivní) anizotropie vyvolané  korugací vlnovodu. Kromě teoretického úvodu a návrhu vlnovodu s využitím vypočtu efektivního pole zahrnuje práce také samotnou realizaci vlnovodu (vícekroková litografie) a měření neelastického rozptylu světla. Množství obsáhlých technik i samotný počet stran práce jsou značné (možná až příliš na bakalářskou práci).

Práce obsahuje jen malé množství chyb a překlepů, místy by ale neuškodilo důslednější „počeštění“ v případech, kdy existuje vhodný český ekvivalent. V rešerši lokálního řízení spinových vln postrádám zmínku o využití magnetických textur (např. doménových stěn), zvláště když doporučená literatura [4] poskytuje ucelený přehled na toto téma. Kaustické svazky by si také zasloužily více než 1/3 stránky textu a další reference viz např. [Wartelle et al., PRB 107, 144431 (2023)].

Zadání a kapitola 3 vzbuzují očekávání nějakých výstupů mikromagnetických simulací, avšak v práci jsem je nenalezl (např. modelování rozložení magnetizace či šíření spinových vln vlnovodem). Jinak byly cíle práce naplněny.

I přes drobné nedostatky (níže) je práce velmi zdařilá. Vzhledem ke zvládnutí náročných experimentů i teoretických konceptů ji doporučuji k obhajobě a navrhuji známku A.

* Obr. 1.2 je v případě diamagnetik zavádějící, viz otázky níže.
* K oddělování desetinných míst se v českém jazyce využívá čárka, nikoliv tečka.
* Obr. 1.11: jednotkou výměnné konstanty A_ex je „J/m“ nikoliv „J/m^3“.
* Obr. 1.13: pomohlo by vyznačení soustavy souřadnic (xyz); y by mělo být dle textu podél vlnovodu (jako k_t0).
* Kapitoly 2 a 3 lépe začít na nové stránce.
* Místy se, zvláště u experimentálních hodnot a některých „fitů“, objevuje až příliš mnoho platných míst (např. Obr.2.5 b), rozměr D1; str. 41: stopa svazku s=7.16 nm).
* Obr. 4.3: Lepší orientaci v diagramu by napomohlo uvedení jednotlivých příspěvků přímo u „skupiny“ barevných šipek (H_dip, H_ani, H_ext, H_eff).
* Obr. 5.3: V případě b) je chybně uvedeno, že se jedná o sondu ScanAsyst-Air. Ve skutečnosti jde o AC240TS od Olympusu. Viz zdroj převzatého obrázku [13] a stránky výrobců (Bruker, Olympus). ScanAsyst má trojúhelníkové raménko a Bruker čip má více zkosené hrany a jiný tvar.
* Sekce 6.1 (strana 41, 2. odstavec odspodu): Nejedná se o „extrakční“ napětí, ale „urychlovací“ (30 kV).
* Obr. 6.11: Mapy budí dojem, že je magnetický celý vzorek včetně elektrod (antény Cu/Au) a substrátu GaAs. Lépe bylo použít masku (na nemagnetické části), či okomentovat, proč je magnetizace přiřazena i nemagnetických oblastem. 
* Obr. 6.12: Pomohlo by vyznačení polohy předpokládané doménové stěny. A ještě více obrázek z Kerrova mikroskopu zachycující danou stěnu.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita B
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 4) Přestože pro samotné šíření vln vlnovodem není nutné magnetické pole, toto pole je zapotřebí k nastavení výchozího magnetického stavu vlnovodu. Existují i jiné možnosti „inicializace“ a případně i šíření spinových vln bez použití externího magnetického pole? {Není nutné se případně omezovat na stávající geometrii a použité materiály.}
  2. 1) Uveďte příklady experimentů využívajících magnetické textury (doménové stěny, skyrmiony, atd.) pro řízení (navádění) spinových vln. Diskutujte možnost jejich využití při šíření spinových vln v zakřivených vlnovodech (s ohybem).
  3. 2) Práce budí dojem, že v nulovém magnetickém poli je (ne)uspořádání magnetických momentů podobné u paramagnetů i diamagnetů (viz obr. 1.2). Je tomu skutečně tak? Znázorněte pro oba případy orientaci magnetických momentů pro a) nulové, b) nenulové vnější magnetické pole.
  4. 3) Zadání i kapitola 3 zmiňují mikromagnetické simulace, avšak je obtížné nějaký takový výstup v práci nalézt. Pokud byly provedeny, ukažte nějaký příklad (rozložení magnetizace ve vlnovodu, šíření vln vlnovodem, spočtená hysterezní smyčka korugovaného vlnovodu, …).
Display more

Grade proposed by reviewer: A