Температурна залежнiсть закрiплення спiнів та дисперсiї спiнових хвиль у нанорозмірних феромагнiтних хвилеводах

Автор(и)

  • B. Heinz Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern, Graduate School Materials Science in Mainz
  • Q. Wang Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern, Nanomagnetism and Magnonics, Faculty of Physics, University of Vienna
  • R. Verba Institute of Magnetism
  • V.I. Vasyuchka Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern
  • M. Kewenig Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern
  • P. Pirro Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern
  • M. Schneider Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern
  • T. Meyer Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern, THATec Innovation GmbH
  • B. Lägel Nano Structuring Center, Technische Universit¨at Kaiserslautern
  • C. Dubs INNOVENT e.V., Technologieentwicklung
  • T. Brächer Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern
  • O.V. Dobrovolskiy Nanomagnetism and Magnonics, Faculty of Physics, University of Vienna
  • A.V. Chumak Fachbereich Physik and Landesforschungszentrum OPTIMAS, Technische Universit¨at Kaiserslautern, Nanomagnetism and Magnonics, Faculty of Physics, University of Vienna

DOI:

https://doi.org/10.15407/ujpe65.12.1094

Ключові слова:

spin waves, yttrium iron garnet, Brillouin light scattering spectroscopy, low temperatures

Анотація

На сьогоднi область магнонiки привертає значну увагу завдяки можливостi кодування iнформацiї за допомогою фази чи амплiтуди спiнової хвилi та подальшiй обробцi на нанометровому масштабi. Нещодавно були дослiдженi спiновi
хвилi в хвилеводах залiзо-iтрiєвого гранату (ЗIГ) iз шириною до 50 нм i вiдношенням товщини до ширини, що наближається до одиницi. Знайдено критичну ширину, нижче
якої обмiнна взаємодiя пригнiчує явище дипольного закрiплення спiнiв i профiлi мод стають вiльними. У данiй статтi ми продовжуємо цi дослiдження та аналiзуємо дисперсiю спiнових хвиль i явище закрiплення спiнiв як функцiї температури, матерiальних параметрiв та товщини хвилеводу. Обговорюються особливостi вищих мод, вплив скiнченного хвильового числа вдовж хвилеводу, трапецiєвидного перерiзу хвилеводу та шорсткостi країв на дисперсiю спiнових хвиль, а також час життя спiн-хвильових мод. Представленi результати становлять особливий iнтерес для актуальної областi квантової магнонiки при крiогенних температурах.

Посилання

A.V. Chumak, V.I. Vasyuchka, A.A. Serga, B. Hillebrands. Magnon spintronics. Nat. Phys. 11, 453 (2015). https://doi.org/10.1038/nphys3347

V.V. Kruglyak, S.O. Demokritov, D. Grundler. Magnonics. J. Phys. D 43, 264001 (2010). https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/26/264001

C.S. Davies, A. Francis, A.V. Sadovnikov, S.V. Chertopalov, M.T. Bryan, S.V. Grishin, D.A. Allwood, Y.P. Sharaevskii, S.A. Nikitov, V. V. Kruglyak. Towards graded-index magnonics: Steering spin waves in magnonic networks. Phys. Rev. B 92, 020408 (2015). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.92.020408

A. Khitun, M. Bao, K.L. Wang. Magnonic logic circuits. J. Phys. D: Appl. Phys. 43, 264005 (2010). https://doi.org/10.1088/0022-3727/43/26/264005

M. Schneider, T. Br¨acher, D. Breitbach, V. Lauer, P. Pirro, D.A. Bozhko, H.Y. Musiienko-Shmarova, B. Heinz, Q. Wang, T. Meyer, F. Heussner, S. Keller, E.T. Papaioannou, B. L¨agel, T. L¨ober, C. Dubs, A.N. Slavin, V.S. Tiberkevich, A.A. Serga, B. Hillebrands, A.V. Chumak. Bose-Einstein condensation of quasiparticles by rapid cooling. Nat. Nanotechnol. 15, 457 (2020). https://doi.org/10.1038/s41565-020-0671-z

M. Krawczyk, D. Grundler. Review and prospects of magnonic crystals and devices with reprogrammable band structure. J. Phys.: Condens. Matt. 26, 123202 (2014). https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/12/123202

S. Wintz, V. Tiberkevich, M. Weigand, J. Raabe, J. Lindner, A. Erbe, A. Slavin, J. Fassbender. Magnetic vortex cores as tunable spin-wave emitters. Nat. Nanotechnol. 11, 948 EP (2016). https://doi.org/10.1038/nnano.2016.117

T. Br¨acher, P. Pirro. An analog magnon adder for all-magnonic neurons. J. Appl. Phys. 124, 152119 (2018). https://doi.org/10.1063/1.5042417

Q. Wang, P. Pirro, R. Verba, A. Slavin, B. Hillebrands, A.V. Chumak. Reconfigurable nanoscale spin-wave directional coupler. Sci. Adv. 4, e1701517 (2018). https://doi.org/10.1126/sciadv.1701517

O. Zografos, B. Soree, A. Vaysset, S. Cosemans, L. Amaru, P. Gaillardon, G. De Micheli, R. Lauwereins, S. Sayan, P. Raghavan, I.P. Radu, A. Thean. Design and bench-marking of hybrid cmos-spin wave device circuits compared to 10nm CMOS. In: Work-in-Progress session, 52nd Design Automation Conference (DAC), 7-11 June 2015, San Francisco, CA, USA (2015), pp. 686-689.

S. Manipatruni, D.E. Nikonov, I.A. Young. Beyond CMOS computing with spin and polarization. Nature Physics 14, 338 (2018). https://doi.org/10.1038/s41567-018-0101-4

A. Chumak. Fundamentals of magnon-based computing. arXiv 1901.08934 (2019).

Q. Wang, M. Kewenig, M. Schneider, R. Verba, B. Heinz, M. Geilen, M. Mohseni, B. L¨agel, F. Ciubotaru, C. Adelmann, C. Dubs, S.D. Cotofana, T. Br¨acher, P. Pirro, A.V. Chumak. A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders. Nat. Electron. (2020). https://doi.org/10.1038/s41928-020-00485-6

B.A. Ivanov, C.E. Zaspel. Magnon modes for thin circular vortex-state magnetic dots. Appl. Phys. Lett. 81, 1261 (2002). https://doi.org/10.1063/1.1499515

G.T. Rado, J.R. Weertman. Spin-wave resonance in a ferromagnetic metal. J. Phys. Chem. Sol. 11, 315 (1959). https://doi.org/10.1016/0022-3697(59)90233-1

R.W. Damon, J.R. Eshbach. Magnetostatic modes of a ferromagnet slab. J. Phys. Chem. Sol. 19, 308 (1961). https://doi.org/10.1016/0022-3697(61)90041-5

K.Y. Guslienko, S.O. Demokritov, B. Hillebrands, A.N. Slavin. Effective dipolar boundary conditions for dynamic magnetization in thin magnetic stripes. Phys. Rev. B 66, 132402 (2002). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.66.132402

K.Y. Guslienko, A.N. Slavin. Boundary conditions for magnetization in magnetic nanoelements. Phys. Rev. B 72, 014463 (2005). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.72.014463

K.Y. Guslienko, A.N. Slavin. Magnetostatic Green's functions for the description of spin waves in finite rectangular magnetic dots and stripes. J. Magn. Magnet. Mater. 323, 2418 (2011). https://doi.org/10.1016/j.jmmm.2011.05.020

R.E. Arias. Spin-wave modes of ferromagnetic films. Phys. Rev. B 94, 134408 (2016). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.94.134408

B. Heinz, T. Br¨acher, M. Schneider, Q. Wang, B. L¨agel, A.M. Friedel, D. Breitbach, S. Steinert, T. Meyer, M. Kewenig, C. Dubs, P. Pirro, A.V. Chumak, Propagation of spin-wave packets in individual nanosized yttrium iron garnet magnonic conduits. Nano Lett. 20, 4220 (2020). https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.0c00657

T. Br¨acher, O. Boulle, G. Gaudin, P. Pirro. Creation of unidirectional spin-wave emitters by utilizing interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction. Phys. Rev. B 95, 064429 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.064429

V.E. Demidov, S.O. Demokritov. Magnonic waveguides studied by microfocus Brillouin light scattering. IEEE Trans. Magnet. 51, 1 (2015). https://doi.org/10.1109/TMAG.2014.2388196

F. Ciubotaru, T. Devolder, M. Manfrini, C. Adelmann, I.P. Radu. All electrical propagating spin wave spectroscopy with broadband wavevector capability. Appl. Phys. Lett. 109, 012403 (2016). https://doi.org/10.1063/1.4955030

P. Pirro, T. Br¨acher, A. V. Chumak, B. L¨agel, C. Dubs, O. Surzhenko, P. G¨arnert, B. Leven, B. Hillebrands. Spin-wave excitation and propagation in microstructured waveguides of yttrium iron garnet/Pt bilayers. Appl. Phys. Lett. 104, 012402 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4861343

M. Mruczkiewicz, P. Graczyk, P. Lupo, A. Adeyeye, G. Gubbiotti, M. Krawczyk. Spin-wave nonreciprocity and magnonic band structure in a thin permalloy film induced by dynamical coupling with an array of Ni stripes. Phys. Rev. B 96, 104411 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.104411

A. Haldar, A.O. Adeyeye. Deterministic control of magnetization dynamics in reconfigurable nanomagnetic networks for logic applications. ACS Nano 10, 1690 (2016). https://doi.org/10.1021/acsnano.5b07849

R. Verba, V. Tiberkevich, E. Bankowski, T. Meitzler, G. Melkov, A. Slavin. Conditions for the spin wave nonreciprocity in an array of dipolarly coupled magnetic nanopillars. Appl. Phys. Lett. 103, 082407 (2013). https://doi.org/10.1063/1.4819435

T. Br¨acher, P. Pirro, B. Hillebrands. Parallel pumping for magnon spintronics: Amplification and manipulation of magnon spin currents on the micron-scale. Phys. Rep. 699, 1 (2017). https://doi.org/10.1016/j.physrep.2017.07.003

G.S. Abo, Y. Hong, J. Park, J. Lee, W. Lee, B. Choi. Definition of magnetic exchange length. IEEE Trans. Magnet. 49, 4937 (2013). https://doi.org/10.1109/TMAG.2013.2258028

Q. Wang, B. Heinz, R. Verba, M. Kewenig, P. Pirro, M. Schneider, M. Thomas, B. L¨agel, C. Dubs, T. Br¨acher, A.V. Chumak. Spin pinning and spin-wave dispersion in nanoscopic ferromagnetic waveguides. Phys. Rev. Lett. 122, 247202 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.122.247202

Y. Tabuchi, S. Ishino, A. Noguchi, T. Ishikawa, R. Yamazaki, K. Usami, Y. Nakamura. Coherent coupling between a ferromagnetic magnon and a superconducting qubit. Science 349, 405 (2015). https://doi.org/10.1126/science.aaa3693

O.V. Dobrovolskiy, R. Sachser, T. Br¨acher, T. B¨ottcher, V.V. Kruglyak, R.V. Vovk, V.A. Shklovskij, M. Huth, B. Hillebrands, A.V. Chumak. Magnon-fluxon interaction in a ferromagnet/superconductor heterostructure. Nat. Phys. 15, 477 (2019). https://doi.org/10.1038/s41567-019-0428-5

I. Golovchanskiy, N. Abramov, M. Pfirrmann, T. Piskor, J. Voss, D. Baranov, R. Hovhannisyan, V. Stolyarov, C. Dubs, A. Golubov, V. Ryazanov, A. Ustinov, M. Weides. Interplay of magnetization dynamics with a microwave waveguide at cryogenic temperatures. Phys. Rev. Appl. 11, 044076 (2019). https://doi.org/10.1103/PhysRevApplied.11.044076

O.V. Prokopenko, D.A. Bozhko, V.S. Tyberkevych, A.V. Chumak, V.I. Vasyuchka, A.A. Serga, O. Dzyapko, R.V. Verba, A.V. Talalaevskij, D.V. Slobodianiuk, Y.V. Kobljanskyj, V.A.Moiseienko, S.V. Sholom, V.Y.Malyshev. Recent trends in microwave magnetism and superconductivity. Ukr. J. Phys. 64, 888 (2019). https://doi.org/10.15407/ujpe64.10.888

L. Mihalceanu, D.A. Bozhko, V.I. Vasyuchka, A.A. Serga, B. Hillebrands, A. Pomyalov, V.S. L'vov, V.S. Tyberkevych. Magnon Bose-Einstein condensates and supercurrents over a wide temperature range. Ukr. J. Phys. 64, 927 (2019). https://doi.org/10.15407/ujpe64.10.927

S. Kosen, A.F. van Loo, D.A. Bozhko, L. Mihalceanu, A.D. Karenowska. Microwave magnon damping in YIG films at millikelvin temperatures. APL. Mater. 7, 101120 (2019). https://doi.org/10.1063/1.5115266

C. Dubs, O. Surzhenko, R. Thomas, J. Osten, T. Schneider, K. lenz, J. Grenzer, R. H¨ubner, E. Wendler. Low damping and microstructural perfection of sub-40nm-thin yttrium iron garnet films grown by liquid phase epitaxy. Phys. Rev. Materials 4, 024416 (2020). https://doi.org/10.1103/PhysRevMaterials.4.024416

I.S. Maksymov, M. Kostylev. Broadband stripline ferromagnetic resonance spectroscopy of ferromagnetic films, multilayers and nanostructures. Phys. E: Lowdimensional Systems and Nanostructures 69, 253 (2015). https://doi.org/10.1016/j.physe.2014.12.027

A. Vansteenkiste, J. Leliaert, M. Dvornik, M. Helsen, F. Garcia-Sanchez, B. Van Waeyenberge. The design and verification of mumax3. AIP Advances 4, 107133 (2014). https://doi.org/10.1063/1.4899186

I.S. Maksymov, M. Kostylev. Broadband stripline ferromagnetic resonance spectroscopy of ferromagnetic films, multilayers and nanostructures. Physica E 69, 253 (2015). https://doi.org/10.1016/j.physe.2014.12.027

R. Verba, G. Melkov, V. Tiberkevich, A. Slavin. Collective spin-wave excitations in a two-dimensional array of coupled magnetic nanodots. Phys. Rev. B 85, 014427 (2012). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.85.014427

R. Verba. Spin waves in arrays of magnetic nanodots with magnetodipolar coupling. Ukr. J. Phys. 58, 758 (2013). https://doi.org/10.15407/ujpe58.08.0758

A. Gurevich, G. Melkov. Magnetization Oscillations and Waves (CRC Press, 1996).

V.V. Kruglyak, O.Y. Gorobets, Y.I. Gorobets, A.N. Kuchko. Magnetization boundary conditions at a ferromagnetic interface of finite thickness. J. Phys.: Cond. Matt. 26, 406001 (2014). https://doi.org/10.1088/0953-8984/26/40/406001

T. Sebastian, K. Schultheiss, B. Obry, B. Hillebrands, H. Schultheiss. Micro-focused Brillouin light scattering: imaging spin waves at the nanoscale. Front. Phys. 3, 35 (2015).

M.B. Jungfleisch, W. Zhang, W. Jiang, H. Chang, J. Sklenar, S.M. Wu, J.E. Pearson, A. Bhattacharya, J.B. Ketterson, M. Wu, A. Hoffmann. Spin waves in micro-structured yttrium iron garnet nanometer-thick films. J. Appl. Phys. 117, 17D128 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4916027

B.A. Kalinikos, A.N. Slavin. Theory of dipoleexchange spin wave spectrum for ferromagnetic films with mixed exchange boundary conditions. J. Phys. C 19, 7013 (1986). https://doi.org/10.1088/0022-3719/19/35/014

P. Hansen, P. R¨oschmann, W. Tolksdorf. Saturation magnetization of gallium-substituted yttrium iron garnet. J. Appl. Phys. 45, 2728 (1974). https://doi.org/10.1063/1.1663657

R.C. LeCraw, L.R.Walker. Temperature dependence of the spin-wave spectrum of yttrium iron garnet. J. Appl. Phys. 32, S167 (1961). https://doi.org/10.1063/1.2000390

A.V. Sadovnikov, E.N. Beginin, S.E. Sheshukova, D.V. Romanenko, Y.P. Sharaevskii, S.A. Nikitov. Directional multimode coupler for planar magnonics: Sidecoupled magnetic stripes. Appl. Phys. Lett. 107, 202405 (2015). https://doi.org/10.1063/1.4936207

A.V. Sadovnikov, A.A. Grachev, S.E. Sheshukova, Y.P. Sharaevskii, A.A. Serdobintsev, D.M. Mitin, S.A. Nikitov. Magnon straintronics: Reconfigurable spinwave routing in strain-controlled bilateral magnetic stripes. Phys. Rev. Lett. 120, 257203 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.120.257203

A.V. Sadovnikov, S.A. Odintsov, E.N. Beginin, S.E. Sheshukova, Y.P. Sharaevskii, S.A. Nikitov. Toward nonlinear magnonics: Intensity-dependent spin-wave switching in insulating side-coupled magnetic stripes. Phys. Rev. B 96, 144428 (2017). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.96.144428

D.D. Stancil. Phenomenological propagation loss theory for magnetostatic waves in thin ferrite films. J. Appl. Phys. 59, 218 (1986). https://doi.org/10.1063/1.336867

D.D. Stancil, A. Prabhakar. Spin Waves. Theory and Applications (Springer, 2009). https://doi.org/10.1007/978-0-387-77865-5_10

R. Verba, V. Tiberkevich, A. Slavin. Damping of linear spin-wave modes in magnetic nanostructures: Local, non-local, and coordinate-dependent damping. Phys. Rev. B 98, 104408 (2018). https://doi.org/10.1103/PhysRevB.98.104408

Downloads

Опубліковано

2020-12-18

Як цитувати

Heinz, B., Wang, Q., Verba, R., Vasyuchka, V., Kewenig, M., Pirro, P., Schneider, M., Meyer, T., Lägel, B., Dubs, C., Brächer, T., Dobrovolskiy, O., & Chumak, A. (2020). Температурна залежнiсть закрiплення спiнів та дисперсiї спiнових хвиль у нанорозмірних феромагнiтних хвилеводах. Український фізичний журнал, 65(12), 1094. https://doi.org/10.15407/ujpe65.12.1094

Номер

Том 65 № 12 (2020)

Розділ

Фізика магнітних явищ і фізика фероїків

Ліцензія

Ліцензійний Договір
на використання Твору
м. Київ, Україна

Відповідальний автор та співавтори (надалі іменовані як Автор(и)) статті, яку він (вони) подають до Українського фізичного журналу, (надалі іменована як Твір) з одного боку та Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України в особі директора (надалі – Видавець) з іншого боку уклали даний Договір про таке:

1. Предмет договору.
Автор(и) надає(ють) Видавцю безоплатно невиключні права на використання Твору (наукового, технічного або іншого характеру) на умовах, визначених цим Договором.

2. Способи використання Твору.
2.1. Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору таким чином:
2.1.1. Використовувати Твір шляхом його видання в Українському фізичному журналі (далі – Видання) мовою оригіналу та в перекладі на англійську (погоджений Автором(ами) і Видавцем примірник Твору, прийнятого до друку, є невід’ємною частиною Ліцензійного договору).
2.1.2. Переробляти, адаптувати або іншим чином змінювати Твір за погодженням з Автором(ами).
2.1.3. Перекладати Твір у випадку, коли Твір викладений іншою мовою, ніж мова, якою передбачена публікація у Виданні.
2.2. Якщо Автор(и) виявить(лять) бажання використовувати Твір в інший спосіб, як то публікувати перекладену версію Твору (окрім випадку, зазначеного в п. 2.1.3 цього Договору); розміщувати повністю або частково в мережі Інтернет; публікувати Твір в інших, у тому числі іноземних, виданнях; включати Твір як складову частину інших збірників, антологій, енциклопедій тощо, то Автор(и) мають отримати на це письмовий дозвіл від Видавця.

3. Територія використання.
Автор(и) надає(ють) Видавцю право на використання Твору способами, зазначеними у п.п. 2.1.1–2.1.3 цього Договору, на території України, а також право на розповсюдження Твору як невід’ємної складової частини Видання на території України та інших країн шляхом передплати, продажу та безоплатної передачі третій стороні.

4. Строк, на який надаються права.
4.1. Договір є чинним з дати підписання та діє протягом усього часу функціонування Видання.

5. Застереження.
5.1. Автор(и) заявляє(ють), що:
– він/вона є автором (співавтором) Твору;
– авторські права на даний Твір не передані іншій стороні;
– даний Твір не був раніше опублікований і не буде опублікований у будь-якому іншому виданні до публікації його Видавцем (див. також п. 2.2);
– Автор(и) не порушив(ли) права інтелектуальної власності інших осіб. Якщо у Творі наведені матеріали інших осіб за виключенням випадків цитування в обсязі, виправданому науковим, інформаційним або критичним характером Твору, використання таких матеріалів здійснене Автором(ами) з дотриманням норм міжнародного законодавства і законодавства України.

6. Реквізити і підписи сторін.
Видавець: Інститут теоретичної фізики імені М.М. Боголюбова НАН України.
Адреса: м. Київ, вул. Метрологічна 14-б.
Автор: Електронний підпис від імені та за погодження всіх співавторів.

Crossref
Scopus
Google Scholar
Europe PMC