Bachelor's Thesis

Controlled Excitation of Magnons through Optically Induced Mie Resonances in Periodic Dielectric Nanostructures

Final Thesis 13.21 MB

Author of thesis: Bc. Jakub Krčma

Acad. year: 2023/2024

Supervisor: Ing. Jakub Holobrádek

Reviewer: Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Abstract:

Magnonics is a research field which explores the manipulation and propagation of magnetic excitations called spin waves and their quantum counterparts magnons. It holds promise for improving computing and information processing with the prospect of reduced energy requirements and faster operation. A transition to shorter-wavelength spin waves is necessary for device miniaturization and, consequently, reduced power consumption. Currently, the only technique for direct measurement and imaging of nanoscale spin waves is x-ray microscopy, which relies on synchrotron radiation and is very time- and resource-demanding. Therefore, methods are being investigated to extend the commonly used and more easily accessible technique of Brillouin light scattering microscopy and spectroscopy to detect magnons with high wavenumbers. In recent years, we demonstrated that by optically inducing Mie resonances in dielectric structures, we are able to achieve detection of extended magnon wavenumbers. Even though this method allowed measurement of the nanoscale spin waves, wavevector resolution was not achieved. In this work, we have shown, that by introducing periodicity into these dielectric structures, we can not only measure magnons with wavenumbers up to 157 rad/µm (corresponding wavelength is 40 nm), but also achieve wavevector resolution. This exceeds the capabilities of existing characterization techniques and opens up new possibilities, for example, in the study of nonlinear phenomena or skyrmion devices.

Keywords:

magnonics, spin waves, Brillouin light scattering, Mie resonances, photonic crystal, FDTD

Date of defence

14.06.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

Czech

Faculty

Fakulta strojního inženýrství

Department

Institute of Physical Engineering

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. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Jakub Holobrádek

Student Jakub Krčma v rámci své bakalářské práce Kontrolovaná excitace magnonů prostřednictvím opticky indukovaných Mieho rezonancí v periodických dielektrických nanostrukturách vypracoval kvalitní rešeršní studii zaměřenou na Brillouinův rozptyl světla (BLS) zesílený blízkým polem a měření spinových vln o krátkých vlnových délkách. Poznatky z této rešerše následně umně využívá v experimentální části, kde na základě rozsáhlých numerických výpočtů navrhuje a elektronovou litografií vyrábí vzorek s periodickými nanorezonátory vhodný pro pozorování spinových vln se specifickými vlnovými vektory. Ty následně metodou BLS i měří, analyzuje a interpretuje získaná data. Rád bych vypíchnul širokou škálu výpočetních, nanofabrikačních i měřících metod, kterou si Jakub osvojil, a při vypracovávání bakalářské práce úspěšně využil. K některým z nich měl pozitivnější vztah než k jiným, což je ale zcela pochopitelné a nikterak to neovlivnilo úspěšné naplnění cílů práce. Dále bych rád vyzvedl Kubovu samostatnost, pracovitost, tah na branku a nespokojenost s polovičatými řešeními. V neposlední řadě mají výsledky práce vysoký publikační potenciál a významně posunují poznání v oblasti magnoniky. Práci s nadšením doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A – výborně.
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. Filip Ligmajer, Ph.D.

Bakalářská práce Jakuba Krčmy se zabývá Brillouinovým rozptylem světla na spinových vlnách (magnonech) jejichž vlnové délky jsou významně kratší než vlnová délka použitého světla. Takové magnony není možné detekovat rozptylem přímo na plošných magnetických vrstvách, ale je třeba lokalizovat příslušné dopadající elektromagnetické pole pod difrakční limit za pomoci vhodných nanostruktur. Tato práce rozšiřuje portfolio takto využitelných nanostruktur směrem k periodicky uspořádaným mřížkám tvořeným kvádry z amorfního křemíku na povrchu magnetické vrstvy. Navazuje tak na předchozí publikace z ÚFI FSI VUT v Brně, kterých byl Jakub Krčma spoluautorem.

Práce je logicky uspořádána, má dobrou jazykovou i grafickou úroveň. V některých místech by práci prospěl detailnější komentář jednotlivých myšlenkových postupů a těsnější propojení se souvisejícími zjištěními popsanými v literatuře. Např. v úvodu kap. 4 se začíná mluvit o "rozlišení vlnových čísel" za pomoci "periodických rezonátorů", ale k tomu na předchozích stranách chybí jakákoliv diskuze/příprava ve smyslu, jak periodická pole mohou pomoci k rozlišení vlnočtu. Není také diskutován mechanismus silné a slabé interakce mezi rezonátory. Všem čtenářům také nemusí být zřejmé, jak se směrovou senzitivitou souvisí fakt, že pro rozměry kvádrů platí "a << b", resp. jaká je
vůbec motivace pro takovou směrovou senzitivitu. V práci také chybí rozsáhlejší kvantitativní
porovnání limitů rozlišení rentgenové mikroskopie s BLS a mikro-BLS. To není diskutováno nikde v
hlavním v textu a je pouze naznačeno v Obr. 4.13. Obecně by pak práci prospěla rozsáhlejší diskuze
výsledků ukázaných v Obr. 4.13-4.15 v kontextu předchozích prací autorovy skupiny ([15], [16]), příp.
také prací ostatních autorů.
Přes tyto drobné nedostatky je třeba zdůraznit, že jde o kvalitní, vysoce nadprůměrnou bakalářskou
práci. Za vyzdvihnutí stojí široký záběr autora, který dané téma pokryl od teoretických výpočtů, přes
výrobu nanostruktur, až po samotné měření Brillouinova rozptylu. Dle mého názoru tvoří výsledky
této práce dobrý základ pro případnou vědeckou publikaci a tuto práci tedy lze bez problémů
doporučit k obhajobě s návrhem hodnotit ji klasifikačním stupněm "A - výborně".
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. Dle grafu v Obr 4.13 odpovídala nejvyšší detekovaná vlnová čísla magnonů vlnovým délkám mezi 40 a 50 nm. El. pole s takto vysokými vlnovými čísly má ale dle simulací velmi nízkou intenzitu a dalo by se tedy očekávat, že i BLS signál bude velmi nízký, resp. s vysokým šumem. Obr. 4.14 taktéž ukazuje výrazný pokles intenzity s vyššími násobky pi/a. Jak tedy vypadala surová BLS spektra, ve kterých bylo možné detekovat takto vysoká vlnová čísla? Byla detekce těchto magnonů dostatečně jasná, mimo úroveň šumu?
  2. Fungoval by fokusovaný Brillouinův rozptyl světla (mikro-BLS) s imerzním objektivem? Pokud ano, platilo by stále tvrzení z části 2.3, že mikro-BLS má omezený detekční rozsah vlnových čísel magnonů oproti konvenčnímu BLS?
  3. Jaké mohou být důvody toho, proč se liší odhad maximální velikosti detekovaného vlnového vektoru z experimentálně naměřené stopy svazku oproti teoretickému limitu vycházejícímu z vlnové délky použitého osvitu a numerické apertury objektivu (viz část 2.2)?
Display more

Grade proposed by reviewer: A