|
|
Spin wave propagation in structures with locally modified magnetic anisotropy
Roučka, Václav ; Flajšman, Lukáš (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Zařízení založená na spinových vlnách mají potenciál být využita ve výpočetní technice s nízkou spotřebou energie. Pro úspěšné využití je samozřejmě potřeba spojit více takových zařízení na jednom čipu, součástí čehož musí být zatáčení spinových vln zahnutými vlnovody. Problém zatáčení spinových vln v dipolárně výměnném režimu zatím nebyl uspokojivě vyřešen, vyzkoušené přístupy vedly ke ztrátě intenzity a fázové koherence. V této diplomové práci jsme zkoumali dva systémy, které by mohly být využity k zatáčení spinových vln. Prvním z nich jsou tenké metastabilní vrstvy slitiny železa a niklu. Paramagnetická metastabilní fcc vrstva, která byla epitaxně narostena na substrátu z mědi, může být transformována do stabilní ferromagnetické bcc fáze pomocí fokusovaného iontového svazku. Tato technika nám dává prostorovou kontrolu nad transformačním procesem a strategie skenování svazkem nám dokonce umožňuje určit směr mangetické anisotropie. Magnetické vlastnosti struktur vytvořených touto metodou a lom spinových vln mezi doménami s odlišným směrem magnetické anisotropie byly změřeny pomocí mikroskopie Brillouinova rozptylu světla. Druhým zkoumaným systémem jsou zvlněné vlnovody, jejichž zvlnění indukuje magnetickou anisotropii. Zvlnění magnetické vrstvy je vytvořeno depozicí nemagnetických vlnek na substrátu indukovanou fokusovaným elektronovým svazkem a následnou depozicí magnetického materiálu. Byly vyrobeny různé návrhy zatočených zvlněných vlnovodů a změřili jsme šíření spinových vln jejich zatáčkami pomocí mikroskopie Brillouinova rozptylu světla. Využili jsme také mikromagnetické simulace pro získání hlubšího porozumění zkoumané problematiky a pro hledání vhodných návrhů experimentů.
|
|
|
Static and dynamic properties of nanostructured magnetic materials
Vaňatka, Marek ; Wintz, Sebastian (referee) ; Dijken, Sebastiaan van (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Magnetické materiály a z nich vyrobené nanostruktury jsou v průběhu posledních let studovány pro jejich aplikace v např. záznamových médiích a logických obvodech. Tato práce navazuje na náš předchozí výzkum tohoto oboru s hlavním zaměřením na statické a dynamické vlastnosti nanostrukturovaných magnetických materiálů, jako například NiFe, CoFeB a YIG. Práce začíná teoretickým úvodem s popisem mikromagnetických systémů, dynamiky magnetických vortexů, feromagnetické rezonance (FMR) a spinových vln včetně jejich disperzních vlastností. Následuje popis použitých experimentálních metod a první experimentální část zabývající se nukleačním procesem magnetického vortexu, jinými slovy procesem transformace ze saturovaného stavu do spinové konfigurace magnetického vortexu v průběhu snižování magnetického pole. Jsou použity mikroskopické metody zobrazující magnetickou strukturu materiálu, jmenovitě Lorentzova transmisní elektronová mikroskopie a rentgenová transmisní mikroskopie. Výsledky jsou poté korelovány s měřením elektrické odezvy pomocí jevu anizotropní magnetorezistence. Výhodou elektrických měření je, že plně elektrická detekce dovoluje použití tohoto systému v uzavřených systémech integrovaných obvodů. Výsledky oblasti nukleací magnetických vortexů ukazují, že při tomto procesu prochází magnetizace v nano- a mikrometrových magnetických discích několika fázemi s růsnými typy spinových konfigurací nazvaných nukleační stavy. Dále je představeno měření magnetických materiálů pomocí vektorového síťového analyzátoru (VNA), což je aplikováno na měření resonance magnetických vortexů (určení gyrotropické frekvence a měření vysokofrekvenčních módů), feromagnetické rezonance tenkých vrstev (získání základních magnetických materiálových parametrů) a spektroskopii spinových vln. Právě spektroskopie spinových vlna je rozvinuta za účelem měření disperzních relací tenkých magnetických vrstev, což je základní charakteristika, jejíž znalost je důležitá v návrhu aplikací. Nakonec je představeno anténní zařízení, díky kterému lze oddělit magnetické buzení od vzorku samotného bez nutnosti absolvovat proces elektronové litorafie, což je zapotřebí v klasickém přístupu antény na vzorku a kontaktování vysokofrekvenční sondou. Toto zařízení se skládá ze skleněného kantilívru, na kterém je vyrobena budící anténa, konektoru a spojovacího prvku v podobě plošného spoje. Celé zařízení je díky umístění na x-y-z stolek s náklonem pozicovatelné a lze tedy měřit v jakémkoliv místě vzorku. Umístění antény na sklo umožňuje navigaci pomocí mikroskopu a optické měření, např. metodou Brillouinova světelného rozptylu (BLS) nebo Kerrova jevu.
|
|
|
Phase-resolved Brillouin light scattering: development and applications
Wojewoda, Ondřej ; Dubroka, Adam (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
Spinové vlny mají potenciál být použity jako nová platforma pro přenos a zpracování dat, protože mohou dosáhnout vlnových délek v rozsahu nanometrů a frekvencí v rozsahu terahertzů. K tomu, aby bylo možné navrhnout zařízení a logické obvody založené na spinových vlnách, je zapotřebí získat informace o prostorovém rozložení intenzity spinové vlny a pokud je to možné, také o jejich fázi. To lze měřit pomocí fázově rozlišeného fokuso-vaného Brillouinova rozptylu světla (µ -BLS). Předložená práce se zabývá rozšířením stávající optické sestavy o možnost měření fáze, kde doposud bylo možné měřit pouze intenzitu. Toto rozšíření sestavy je důkladně popsáno a charakterizováno. Schopnosti optické sestavy jsou demonstrovány ve studii šíření spinových vln skrz Néelovu doménovou stěnu. Získané 2D mapy intenzity spinových vln ukazují, že propagace přes doménovou stěnu je ovlivněna topologicky vynucenou kruhovou Blochovou čarou ve středu doménové stěny a že režim propagace závisí na frekvenci spinových vln. V prvním režimu propagace se vytvoří dva svazky spinových vlny šířící se kolem kruhové Blochovy čáry, zatímco ve druhém režimu se spinové vlny šíří pouze středem. Fázově rozlišené µ-BLS měření odhaluje fázový po- sun spinových vln pro oba režimy. Mikromagnetické modelování spinových vln ukazuje rozrušení jejich fázových vlnoploch, které je třeba brát v úvahu při interpretaci měření a navrhování potenciálních zařízení. Mikromagnetické simulace ukazují, že vnější magnetické pole může být použito k pohybu kruhové Blochovy čáry ve stěně domény, a tedy k manipulaci spinových vln.
|
|
|
Dispersion relation of magnonic crystals with nontrivial spatial distribution of magnetic anisotropy
Wojewoda, Ondřej ; Hamrle,, Jaroslav (referee) ; Flajšman, Lukáš (advisor)
Magnonics is a novel field of research dealing with the physics of spin waves, which are collective excitations of a magnetization. Magnonic crystals, the basic building blocks of magnonic circuits, allow extended control over the spin-wave dispersion. The periodic structure of magnonic crystals results in the formation of a complex band structure with a gap of forbidden frequencies. Periodic structures are conventionally prepared by a local modulation of material thickness or by a step change of saturation magnetization. The presented work deals with the theoretical verification of dispersion relations of magnonic crystals, where the periodicity of the system is achieved by the modulation of the direction of uniaxial magnetic anisotropy and by continuous change of saturation magnetization. For a better insight into the propagation of spin waves in a material with non-homogeneous magnetic properties, a theory describing the refraction and reflection of spin waves at the interface is presented and further verified by numerical simulations.
|
|
|
Spin wave turns
Dočkalová, Lucie ; Gablech, Imrich (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
V dnešním světě moderních technologií je vyvíjen značný tlak na vývoj stále výkonnějších elektronických zařízení. Tato zařízení operují na bázi integrovaných obvodů, jejichž nejmenší komponenty dosahují v současnosti velikosti v řádu jednotek nanometrů. Jejich další technologický vývoj spojený s trendem miniaturizace naráží na limity plynoucí z kvantového charakteru elektronů. Řešení této překážky nabízí magnonika, jakožto nový obor moderní fyziky. Na rozdíl od elektronických zařízení, magnonická zařízení zpracovávají data pomocí magnonů, což jsou kvazičástice spinových vln. Ačkoli některá magnonická zařízení již byla představena, jejich propojení na malém čipu je velmi komplikované. Efektivnímu přenosu magnonů skrze tzv. vlnovody brání vysoce anizotropní disperzní vztahy spinových vln. V této práci se zabýváme způsobem, jak překonat tuto anizotropii a umožnit tak šíření spinových vln v libovolném směru se stejnou efektivitou. Za tímto účelem používáme zvlněné vlnovody ve tvaru zatáček, které vyrábíme pomocí kombinace elektronové litografie a depozice indukované fokusovaným elektronovým svazkem. Zvlnění připravených vlnovodů charakterizujeme pomocí mikroskopu atomárních sil. Následně zkoumáme magnetický stav struktur pomocí Kerrovy mikroskopie. Na závěr se zaměřujeme na samotnou propagaci spinových vln skrze vyrobené zatáčky, kterou měříme pomocí spektroskopie Brillouinova rozptylu světla.
|
|
|
Magneto-optical study of the dynamic properties of magnetic nanostructures and nanostructured metamaterials
Flajšman, Lukáš ; Chumak, Andrii (referee) ; Revelosona, Dafiné (referee) ; Spousta, Jiří (advisor)
Magnonika je novým odvětvím výzkumu, který se zabývá fyzikou spinových vln. Magnonika jako vědní obor nabízí nové možnosti například v nediskrétních výpočtech na základě vlnového charakteru spinových vln. Při výrobě magnonických prvků klasickými metodami není možné příliš měnit charakter materiálů, ze kterých jsou jednotlivé prvky vyrobeny. Tento fakt silně omezuje univerzálnost vyrobených struktur. Cílem této práce je aplikovat nový typ materiálu do oboru magnoniky. Specifikum daného materiálu je možnost zápisu magnetických struktur pomocí iontového svazku. Ukazuje se, že tyto struktury mají velice zajímavé magnetické vlastnosti, které lze velice přesně řídit právě strategií ozařování iontovým svazkem. Na základě fázově rozlišené Brillouinovy spektroskopie jsme získali disperzní relaci spinových vln v tomto systému a tím i důležité parametry systému. Pozorování podkládáme mikromagnetickými simulacemi a analytickými modely. Vlastnosti systému pro magnonické aplikace prezentujeme na třech prototypických sadách struktur, které nelze vyrobit pomocí klasických materiálů.
|
|
|
Parametric pumping as a short-wavelength spin-wave source
Pavelka, Dominik ; Zadorozhnii, Oleksii (referee) ; Holobrádek, Jakub (advisor)
Spin waves have the potential to play a key role in modern information technology as they can carry information with minimal energy losses. In order to implement spin-wave based devices in logic circuits, it is necessary to miniaturize these components. For this purpose, short-wavelength spin waves and efficient methods to excite them are needed. This bachelor thesis deals with the method of excitation of spin waves by parametric pumping. It discusses the theory needed to understand this issue, and most importantly it captures the process of plannig and performing an experiment. A sample with nano-antennas suitable for parametric pumping of short-wavelength spin waves was designed and fabricated for the experiment. Measurement results on this sample confirm the presence of parametrically pumped spin waves and show their dependence on the frequency and amplitude of the excitation field. This work contributes to expanding our understanding of parametric pumping of spin waves and will be followed by further research utilizing the results obtained in this work.
|
|
|
Spin waves in non-trivial magnetic landscapes
Klíma, Jan ; Staňo, Michal (referee) ; Wojewoda, Ondřej (advisor)
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.
|
|
|
Magnetism in curved geometries
Turčan, Igor ; Makarov, Denys (referee) ; Grundler, Dirk (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
V oblasti magnoniky, nového výzkumného oboru využívajícího fyziku spinových vln, roste zájem o vývoj funkčních zařízení s unikátními vlastnostmi . Hlavní překážkou pro budoucí generace výpočetní techniky založené na spinových vlnách je řízení toku spinových vln. Technická realizace je však u konvenčních přístupů velmi náročná, jelikož spoléhají na rovinné magnetické struktury, kde jsou magnetické vlastnosti dány výlučně vlastnostmi použitých materiálů. Vlastnosti jako jednoosá magnetická anizotropie tedy nelze přímo ovládat. Předkládaná dizertační práce využívá nový přístup k indukci efektivní magnetické interakce zakřivením systému. Jednoosá magnetická anizotropie, která je způsobena vlnitostí systému, je studována ve strukturách s modulovanými povrchy připravenými depozicí indukovanou elektronovým svazkem a elektronovou litografií. Potenciál lokální kontroly směru magnetizace pomocí přístupu 3D nanofabrikace je univerzální a lze jej použít s jakýmkoli běžně používaným magnetickým materiálem. Kromě toho je demonstrováno šíření spinových vln v Damonově-Eshbachově geometrii bez aplikace vnějšího magnetického pole ve vlnitých magnetických vlnovodech pomocí mikroskopie Brillouinova rozptylu světla. Rozšíření šířky píku feromagnetické rezonance a získání parametru tlumení je uvedeno pro rovinné a vlnité struktury. V poslední části práce je srovnáno měření délky šíření spinových vln ve vlnitých strukturách s měřením parametru tlumení a s analytickými výpočty. Snížení délky šíření spinových vln u vlnovodů s větší amplitudou modulace je spojeno se zvýšení parametru tlumení.
|
|
|
Spin wave turns
Dočkalová, Lucie ; Gablech, Imrich (referee) ; Urbánek, Michal (advisor)
V dnešním světě moderních technologií je vyvíjen značný tlak na vývoj stále výkonnějších elektronických zařízení. Tato zařízení operují na bázi integrovaných obvodů, jejichž nejmenší komponenty dosahují v současnosti velikosti v řádu jednotek nanometrů. Jejich další technologický vývoj spojený s trendem miniaturizace naráží na limity plynoucí z kvantového charakteru elektronů. Řešení této překážky nabízí magnonika, jakožto nový obor moderní fyziky. Na rozdíl od elektronických zařízení, magnonická zařízení zpracovávají data pomocí magnonů, což jsou kvazičástice spinových vln. Ačkoli některá magnonická zařízení již byla představena, jejich propojení na malém čipu je velmi komplikované. Efektivnímu přenosu magnonů skrze tzv. vlnovody brání vysoce anizotropní disperzní vztahy spinových vln. V této práci se zabýváme způsobem, jak překonat tuto anizotropii a umožnit tak šíření spinových vln v libovolném směru se stejnou efektivitou. Za tímto účelem používáme zvlněné vlnovody ve tvaru zatáček, které vyrábíme pomocí kombinace elektronové litografie a depozice indukované fokusovaným elektronovým svazkem. Zvlnění připravených vlnovodů charakterizujeme pomocí mikroskopu atomárních sil. Následně zkoumáme magnetický stav struktur pomocí Kerrovy mikroskopie. Na závěr se zaměřujeme na samotnou propagaci spinových vln skrze vyrobené zatáčky, kterou měříme pomocí spektroskopie Brillouinova rozptylu světla.
|
guest ::
