Master's Thesis

Phase-resolved Brillouin light scattering: development and applications

Final Thesis 11 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Acad. year: 2019/2020

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewer: doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.

Abstract:

Spin waves have the potential to be used as a new platform for data transfer and processing as they can reach wavelengths in the nanometer range and frequencies in the terahertz range. To be able to design the spin-wave devices and logic circuits we need to be able to gather the information about spatial distribution of the spin-wave intensity and if possible, also their phase. This can be measured with the use of phase-resolved micro-Brillouin-light-scattering (µ-BLS) setup. The presented work deals with extending the existing intensity resolved setup with the possibility to also acquire the spin-wave phase. The upgraded Brillouin light scattering setup is thoroughly described and its performance is characterized. The capabilities of the developed setup are demonstrated in the study of propagation of spin waves through a Néel domain wall. The acquired 2D spin-wave intensity maps reveal that spin-wave transmission through a domain wall is influenced by a topologically enforced circular Bloch line in the domain wall center and that the propagation regime depends on the spin-wave frequency. In the first regime, two spin-wave beams propagating around the circular Bloch line are formed, whereas in the second regime, spin waves propagate in a single central beam through the circular Bloch line. Phase-resolved µ-BLS measurements reveal a phase shift upon transmission through the domain wall for both regimes. Micromagnetic modelling of the transmitted spin waves unveils a distortion of their phase fronts which needs to be taken into account when interpreting the measurements and designing potential devices. Moreover, we show, by means of micromagnetic simulations, that an external magnetic field can be used to move the circular Bloch line within the domain wall to manipulate spin-wave propagation.

Keywords:

magnonics, spin wave, light scattering, optical setup, Brillouin light scattering

Date of defence

13.07.2020

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Stokesův a anti-Stokesův rozptyl na magnonech. Grupová rychlost. Student otázky zodpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (M2A-P)

Field of study

Physical Engineering and Nanotechnology (M-FIN)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (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)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

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

Diplomová práce pana Ondřeje Wojewody se zabývá konstrukcí, ověřením a aplikacemi experimentální sestavy pro měření fáze spinových vln pomocí Brillouinova rozptylu světla. Pan Wojewoda během řešení diplomového projektu odvedl excelentní práci při které nejenže sestavil a otestoval experimentální sestavu, ale rovněž provedl unikátní experimenty s průchodem spinových vln přes doménovou stěnu. Tyto experimenty jsou na špičkové světové úrovni, posouvají současný stav poznání v oblasti magnoniky a jako takové si vysloužily místo na titulní stránce prestižního časopisu Applied Physics Letters. 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
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.

Předkládaná diplomová práce pojednává o Brillouinově rozptylu na magnonech, vývoji aparatury pro měření jejich fáze a její aplikaci na studium rozptylu magnonů na doménové stěně.
    První poměrně rozsáhlá část práce je věnovaná úvodu do magnetismu a spinových vln (1. kapitola) a teorii rozptylu světla zaměřenou na Brillouinův rozptyl (2. kapitola). U těchto kapitol velmi hodnotím šíři a zároveň věcnost s jakou autor k textu přistoupil. Úvod tak představuje velmi relevantní text, který nejen uvozuje později použitou teorii, ale může být cenným přehledovým zdrojem pro studenty navazující na tuto práci.
    Kapitola 3. je věnovaná popisu experimentální aparatury pro měření fázově rozlišeného Brillouinova rozptylu, která byla v rámci diplomové práce sestavena. Jsou zde detailně popsány jednotlivé elementy aparatury, diskutována jejich stabilita nutná pro dlouhá prostorově rozlišená měření, jako např. optimální nastavení Fabry-Perotova interferometru. Funkce této aparatury je ilustrována na měření fáze magnonů v tenké vrstvě ze slitiny permalloy excitované pomocí litograficky připravených antén.
    Nakonec, 4. kapitola je věnovaná novému vědeckému tématu, a to studiu rozptylu magnonů na doménové stěně. Kapitola představuje jednak měření prostorového rozložení amplitudy magnonů buzených na dvou frekvencích, 7.15 GHz a 9.0 GHz, tak měření fáze magnonů při přechodu doménovou stěnou. Měření jsou také doplněna mikromagnetickými simulacemi, které jsou použity k interpretaci výsledků. Jak měření, tak výpočty ukazují, že na frekvenci 7.15 GHz se magnony dělí při průchodu doménovou stěnou okolo Blochovy linie na dvě prostorově separované vlny. Naopak, na frekvenci 9.0 GHz mangon prochází Blochovou linií.
    Celkově tato diplomová práce má velmi vysokou kvalitu. Šíře i hloubka úvodních kapitol ukazuje, že autor má velký přehled a pochopení v oblasti magnoniky a Brillouinova rozptylu. V rámci práce byla vyvinuta aparatura na měření fáze magnonu. Dvě sady měření ukazují, že aparatura je funkční a schopna produkovat vědecká data v kvalitě odpovídající současné světové úrovni. Výsledky z 4. kapitoly jsou také odeslané jako článek k recenznímu řízení do vědeckého časopisu. Text diplomové práce je velmi dobře čitelný a věcný a je navíc v angličtině, což dále zvyšuje jeho hodnotu. Práce cituje velkou řadu současné vědecké literatury.  Celkově práce je na velmi vysoké úrovni, která svou kvalitou odpovídá úrovni kvalitních doktorských prací, proto neváhám hodnotit jak její jednotlivé části, tak i práci celkově, 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 dosaž. 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
Topics for thesis defence:
  1. 1. Při experimentech rozptylu na doménové stěně byla použita frekvence 7.15 GHz, i když maximum amplitudy frekvenčně rozlišeného experimentu z Obr. 4.3(c) je spíše na 7.25 GHz. Prosím diskutujte proč byla zvolená frekvence 7.15 GHz a zda by nebylo lepší použít frekvenci 7.25 GHz.
  2. 2. V práci jsou uvedené poměrně detailní výsledky numerických mikromagnetických simulací ukazující poměrně dobrý souhlas s experimentem na dvou měřených frekvencích 7.15 GHz a 9.0 GHz. Zajímalo by mě ovšem určité kvalitativní vysvětlení, proč se na těchto dvou frekvencích průchod magnonu Blochovou linií tak kvalitativně liší, které by např. umožnovalo kvalitativně předpovědět výsledek experimentu pro jiné frekvence.
Display more

Grade proposed by reviewer: A