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Enabling technology for high-frequency quantum magnonics
David Schmoll
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physik
Betreuer*in
Andrii Chumak
Mitbetreuer*in
Sebastian Knauer
DOI
10.25365/thesis.71479
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30647.37145.923230-9
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Spinwellen, mit ihren zugehörigen Quasi-Teilchen Magnonen, sowie ihrer zugrunde liegenden fundamentalen Physik, zeigen vielversprechendes Potential zur Informationsübertragung, -speicherung und -verarbeitung. Die fortschreitende technologische Entwicklung im Zugang zum millikelvin Temperaturbereich, verbunden mit Hochfrequenz-Mikrowellentechnologie, erlauben erste Schritte zur Erforschung einzelner Magnonen im Feld der Quanten-Magnonik und deren Implementierung in hybriden Quantensystemen. Solch ultra-tiefe Temperaturen sind entscheidend, um thermisch angeregte Magnonen zu eliminieren. Das Ziel dieser Arbeit ist es, eine Plattform zur Messung von propagierenden Spinwellen bei millikelvin Temperaturen umzusetzen und zu charakterisieren. Zuerst wurde ein "Bluefors LD250 Cryogen-Free Dilution Refrigerator"-System, kombiniert mit einem supraleitendem Vektormagneten und einem bis zu 40 GHz-klassifiziertem VNA-Messsystem, im Labor installiert und charakterisiert. Weiters wurde ein Multilagen-Hochfrequenz-PCB, als Nahtstelle zwischen dem Messsystem und der zu untersuchenden Probe, mit dem Softwarepaket "Altium Designer" entworfen. Die Hochfrequenz-Signalleitungen des PCBs wurden mit dem Softwarepaket "COMSOL Multiphysics" computergestützt analysiert und optimiert, um eine Signalübertragung bis zu einer Frequenz von 40 GHz zu ermöglichen. Nach Entwurf und Analyse wurde das Hochfrequenz-PCB industriell gefertigt und im Labor experimentell getestet. Um die Funktionalität des PCBs im kryogenen Messsystem zu prüfen, wurden propagierende Spinwellen mit Hilfe eines Golddrahts in einer "Yttrium-Eisen-Granat"-Probe angeregt und detektiert. Der Entwurf des Hochfrequenz-PCBs erlaubt zukünftigen YIG-Proben, mit lithographierten Antennenstrukturen, direkt zur Probe verbunden zu werden und dadurch effizient Spinwellen anzuregen und zu detektieren. "Yttrium-Eisen-Granat" (YIG) auf einem "Gadilinium-Gallium-Granat"-Substrat (GGG) wurde als Probe zur Untersuchung von propagierenden Spinwellen bei kryogenen Temperaturen verwendet. Dazu werden die Resultate propagierender Spinwellen Spektroskopie, anhand von magnetostatischen Oberflächenwellen diskutiert. Die Ergebnisse der kryogenen Messungen wurden dabei mit bei Raumtemperatur aufgenommenen Daten verglichen. Die durchgeführten Experimente stellen die ersten gemessenen Spinwellen im realisierten kryogenen Setup dar. Die Kombination des "Dilution Refrigerators", einem supraleitenden Vektormagneten und einem kalibrierten VNA Messsystem, zusammen mit den technischen Möglichkeiten des neuen Hochfrequenz-PCBs, formt eine Messplattform für zukünftige Experimente im Feld der Quantenmagnonik und hybrider Quantensysteme.
Abstract
(Englisch)
Spin waves, with their corresponding quasi-particles magnons and the underlying fundamental physics, possess promising technological potential for the transmission, storage and processing of information. Comprehensive technological advancements in the access to millikelvin temperatures, combined with high-frequency microwave technology, allow first steps towards the investigation of individual magnons in the field of quantum magnonics, and enable a path towards their implementation in hybrid quantum systems. Such ultra-low temperatures are required to eliminate thermally excited magnons. Thus, the scientific objective of this thesis was to develop and characterise a measurement platform for the investigation of propagating spin waves with microwave technology at millikelvin temperatures. First, a state-of-the-art Bluefors LD250 cryogen-free dilution refrigerator system, combined with a superconducting vector magnet and a 40 GHz-rated VNA measurement system, was installed and characterised. Further, a multilayer high-frequency PCB was designed with the software package Altium Designer as the connecting interface between the measurement setup and the investigated samples. The high-frequency transmission lines of the PCB were computationally analysed and optimised with the software package COMSOL Multiphysics, allowing microwave propagation up to 40 GHz. After design and analysis, the high-frequency PCB was manufactured and tested. To prove the capabilities of the PCB within the cryogenic setup, propagating spin waves were excited and detected with surface-bonded gold wires in a yttrium iron garnet (YIG) strip on gadolinium gallium garnet (GGG). The functionality of the high-frequency PCB will allow future YIG samples, with e-beam or focused ion beam patterned antenna structures, to be directly bonded to the PCB and therefore efficiently feed and detect microwave signals. Finally, YIG samples, grown on GGG, were used to perform propagating spin-wave spectroscopy at millikelvin temperatures, via the excitation and detection of magnetostatic surface spin waves (MSSWs). The cryogenic results are compared to room temperature measurements. These studies represent the first recorded propagating spin waves within the realised dilution refrigerator system. The combination of the built dilution refrigerator, including the superconducting vector magnet together with the calibrated VNA measurement system, and the capabilities of the novel high-frequency PCB, creates a future measurement platform for experiments in the field of quantum magnonics and hybrid opto-magnonic quantum systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Spinwellen Quanten Magnonik Kryostat Hochfrequenz-PCB Mikrowellen-Technologie
Schlagwörter
(Englisch)
Spin Waves Quantum Magnonics Cryogenics High-Frequency PCB Microwave Technology
Autor*innen
David Schmoll
Haupttitel (Englisch)
Enabling technology for high-frequency quantum magnonics
Paralleltitel (Deutsch)
Unterstützende Technologie für Hoch-Frequenz Quanten Magnonik
Publikationsjahr
2022
Umfangsangabe
86 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andrii Chumak
AC Nummer
AC16562884
Utheses ID
62756
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |