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Experimental realization of inverse-design magnonics
Fabian Majcen
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Andrii Chumak
DOI
10.25365/thesis.76611
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-21740.25464.659358-4
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Feld der Magnonik, das Magnonen—die Quanten der Spinwellen—für energieeffiziente Datenverarbeitung nutzt, hat durch Entwicklungen im Bereich des inversen Designs bedeutende Fortschritte gemacht. Inverses Design umfasst die Festlegung einer gewünschten Funktionalität und die Nutzung von Rechenalgorithmen zur Bestimmung des Geräteentwurfs. Diese Studie stellt eine wegweisende experimentelle Demonstration eines invers-gestalteten magnonischen Prozessors dar, der in der Lage ist, Radiofrequenzfunktionalitäten zu implementieren. Aufbauend auf bisheriger Forschung im Bereich des inversen Designs in der Magnonik, die überwiegend auf komplexen numerischen Simulationen basieren, führt dieses Gerät einen neuartigen Ansatz ein, indem es eine Neukonfiguration im Nanosekundenbereich und die direkte experimentelle Evaluierung von Zuständen ermöglicht. Das Gerät besteht aus einer quadratischen Matrix von 49 unabhängigen Gleichstrom-Schleifen, die eine komplexe magnetische Landschaft erzeugen. Aufgrund dieses komplexen Aufbaus durchlaufen Spinwellen, die sich durch einen rechteckigen Yttrium-Eisen-Granat-Film ausbreiten, mehrfache Streuungen, was zu signifikanten Änderungen in Richtung, Wellenlänge und Phase aufgrund sowohl linearer als auch nichtlinearer Effekte führt. Diese Phänomene werden genutzt, um verschiedene RF-Funktionalitäten zu implementieren. Die Fähigkeiten des Geräts werden durch seine Anwendung als RF-Kerbfilter, der erfolgreich über ein breites Spektrum von Spinwellenfrequenzen realisiert wurde, und als Frequenz-Demultiplexer demonstriert. Zusätzliche Untersuchungen zur Spinwellen-Nichtlinearität bieten tiefere Einblicke in deren Auswirkungen auf das Leistungsvermögen. Eine Direct Search Optimierung und ein genetischer Algorithmus, werden verwendet, um die Feldmuster zu konfigurieren, was die Vielseitigkeit und Effektivität des Geräts bei der Umsetzung maßgeschneiderter Funktionalitäten demonstriert. Diese Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von invers-gestalteten magnonischen Geräten für fortgeschrittene RF-Anwendungen und eröffnen neue Möglichkeiten für dynamische, rekonfigurierbare magnonische Systeme.
Abstract
(Englisch)
The field of magnonics, which utilizes magnons—the quanta of spin waves—for energy-efficient data processing, has seen advancements through developments in inverse design. Inverse design involves specifying a desired functionality and using computational algorithms to determine the device design that achieves it. This study represents a pioneering experimental demonstration of an inverse-design magnonic processor capable of implementing radio frequency functionalities. Building on previous work in inverse design magnonics, which has primarily relied on complex numerical simulations, this device introduces a novel approach by enabling reconfiguration on a nanosecond timescale and direct experimental evaluation of states. The device features a square array of 49 independent direct current loops, which generate a complex magnetic landscape. Due to this intricate setup, spin waves propagating through a rectangular yttrium iron garnet film undergo multiple scatterings, resulting in significant changes in direction, wavelength, and phase due to both linear and nonlinear effects. These phenomena are harnessed to implement various RF functionalities. The capabilities of the device are demonstrated through its application as an RF notch filter, successfully realized across a broad spin-wave frequency spectrum, and a frequency demultiplexer. Additional investigations into spin-wave nonlinearity provide deeper insights into its impact on performance. A direct search optimization and a genetic algorithm are used to configure the field patterns, showcasing the device's versatility and effectiveness in achieving tailored functionalities. These results highlight the potential of inverse-design magnonic devices for advanced RF applications and open up new possibilities for dynamic, reconfigurable magnonic systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Spinwellen Magnonik Inverses Design Optimierungsalgorithmen Kerbfilter Frequenz-Demultiplexer 5G-Technologie Magnonischer Prozessor
Schlagwörter
(Englisch)
Spin Waves Magnonics Inverse Design Optimization Algorithms Notch Filter Frequency Demultiplexer 5G Technology Magnonic Processor
Autor*innen
Fabian Majcen 
Haupttitel (Englisch)
Experimental realization of inverse-design magnonics
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
xiii, 68 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andrii Chumak
AC Nummer
AC17323740
Utheses ID
72421
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |