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3d curvilinear nano-magnetism and spatio-temporal magnetooptic microscopy
Sebastian Lamb-Camarena
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Oleksandr Dobrovolskiy
DOI
10.25365/thesis.77211
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11981.69607.778992-5
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Weiterentwicklung der Datenverarbeitungs- und -speichertechnologie mittels Magnonik hat in der modernen vernetzten Welt ein beträchtliches Potenzial für weitreichende Auswirkungen auf alle Lebensbereiche, einschließlich Verbesserungen für die Nachhaltigkeit. Die derzeitigen Perspektiven der Magnonik zielen darauf ab, die Informationsübertragung, -speicherung und -verarbeitung ohne Ladungstransport zu nutzen, um energieeffiziente Geräte zu realisieren. Angesichts des jüngsten kometenhaften Aufstiegs der künstlichen Intelligenz und großer Sprachmodelle, die die Verarbeitung großer Vektorvariablenräume erfordern, machen die Nichtlinearität und die Aspekte der analogen Berechnung, die die Magnonik zugänglich macht, diese zu einer attraktiven Option. Die allgemeinen Trends zur Miniaturisierung und 3D-Strukturierung gelten auch für die Magnonik. Die dritte Dimension als beliebig steuerbare variable Domäne ermöglicht nicht nur eine höhere Dichte an Funktionselementen durch die Stapelung von Schichten, sondern auch einen weiteren Steuerungshebel bei der Entwicklung magnonischer Bauelemente, der die Realisierung neuartiger Funktionalitäten ermöglicht, die in einem 2D-Regime nicht zugänglich sind. Theoretisch und experimentell wurde gezeigt, dass die Topologie der magnetischen Volumenstruktur eindeutig die Gesamtwirbelstärke bestimmt, wobei die genaue Konfiguration durch die geometrische Symmetrie einstellbar ist. Dreidimensionale Nanodrähte können neuartige Domänenwände beherbergen, die in der Sensorik und Informationsspeicherung Anwendung finden. Die Krümmung von 3D-Architekturen bricht die chirale Symmetrie und induziert einen effektiven Feldbeitrag, der nicht-kollineare Spinstrukturen wie Wirbel und Skyrmionen stabilisiert oder Domänenwände festklemmen kann. Die robuste Lokalisierung nicht-kollinearer Magnetisierungstexturen in 3D-Drahtgitter-Nanostrukturen macht sie als Komponenten biomedizinischer Mikromaschinen oder für die lokale Feldmodulation in supraleitenden Hybridsystemen nützlich. Bloch-Punkt-Domänenwände, die ausschließlich in 3D-Nanodrähten vorkommen, ermöglichen die Überwindung des Walker-Durchbruchs, was für Domänenwand-Speicher-Konzepte wichtig ist. Die Krümmung des Spin-Wellen-Wellenleiters führt zu einer Asymmetrie in der Dispersionsrelation, was zu einer Nicht-Reziprozität der Spin-Wellen-Dynamik führt, die für Datenverarbeitungsflüsse und Signalverarbeitung wesentlich ist. Die Kontrolle des Verhaltens von Spinwellen ist wichtig für die Datenverarbeitung durch den Einsatz von interagierenden, informationstragenden Spinwellen. Der Nanomagnetismus-Teil dieser Studie umfasst eine experimentelle optische Untersuchung der Durchführbarkeit der Ausbreitung von Spinwellen in direkt beschreibbaren 3D-Leitungen mit gekrümmter Architektur sowie Computersimulationen der Auswirkungen einer variierenden Geometrie und eines externen Feldes auf die Dispersion und ihre Asymmetrie für gekrümmte magnetische Wellenleiter, mit Perspektiven als Multiplex-Spinwellen-Leitungen für magnetische Schaltkreisanwendungen. Zusätzlich wurde eine experimentelle optische Untersuchung der Anwendbarkeit von direkt schreibbaren magnetischen 3D-Nanostrukturen für supraleitende Hybridsysteme durchgeführt. Der zweite Teil dieser Studie ist die Planung und Entwicklung eines mikrofokussierten phasenaufgelösten magneto-optischen Kerr-Effekt-Mikroskops mit Super-Nyquist-Abtastung. Dabei handelt es sich um eine ergänzende Technik zur verwendeten mikrofokussierten Brillouin-Lichtstreuungsspektroskopie, die die relative Phasenverschiebung einer Spinwelle in einer Probe gegenüber einem Referenztakt direkt sichtbar macht. Dies ermöglicht die direkte Beobachtung der Spinwellenverteilung in einer Probe, einschließlich Merkmalen wie Wellenlänge, Dämpfung und Beugung.
Abstract
(Englisch)
Advancement of data processing and storage technology via magnonics has incredible potential in the modern interconnected world for wide ranging impact across all aspects of life, including sustainability improvements. Current perspectives in magnonics aim to capitalise on information transmission, storage, and processing without charge transport to realise energy efficient devices. With the recent meteoric rise in artificial intelligence and large language models which involve the processing of large vector variable spaces, the non-linearity and analogue computation aspects accessible in magnonic computing makes it an attractive option. General trends towards miniaturisation and 3D structuring apply also to magnonics. The third dimension as an arbitrarily controllable variable domain enables not only increased functional element density via layer stacking, but also another control lever in the development of magnonic devices, allowing realisation of novel functionalities not accessible in a 2D regime. It has been shown in theory and experiment that the topology of bulk magnetic structure uniquely determines the total vorticity, the exact configuration is tunable by the geometric symmetry. Three dimensional nanowires may host novel domain wall types which have applications in sensing and information storage. Curvature of 3D architectures breaks chiral symmetry, inducing an effective field contribution which stabilises non-collinear spin textures such as vortices and skyrmions, or may pin domain walls. The robust localisation of non-collinear magnetisation textures in 3D wireframe nanostructures makes them useful as components of biomedical micromachines or for local field modulation in superconducting hybrid systems. Bloch point domain walls exclusive to 3D nanowires enable surpassing of the Walker breakdown, important in domain wall memory concepts. Curvature of spin-wave waveguide induces an asymmetry in the dispersion relation, resulting in non-reciprocity of spin-wave dynamics which is essential for data processing flows and signal handling. Control of spin-wave behaviour is important for data processing by use of interacting information carrying spin waves. The nanomagnetism part of this study comprises experimental optical investigation of the feasibility of spin wave propagation in direct-write 3D conduits with curvilinear architecture, and by computer simulations the effects of varying geometry and external field on the dispersion and its asymmetry for curvilinear magnonic waveguides, with perspectives as multiplex spin wave conduits for magnonic circuit applications. There is an additionally experimental optical investigation of the applicability of direct-write 3D magnetic nanostructures for superconducting hybrid systems. The second part of this study is the planning and development of a micro-focused phase-resolved super-Nyquist sampling magneto-optic Kerr effect microscope. This is a complementary technique to the employed micro-focused Brillouin light scattering spectroscopy which directly visualises the relative phase offset of a spin wave in a sample with respect to a reference clock. This will allow direct observation of spin wave distribution in a sample, including features such as wave length, damping, and diffraction.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Nanomagnetismus Magnonik Magneto optik Spinwellen Mikroskopie Mikromagnetische Simulation Supraleitung Kerr Effekt
Schlagwörter
(Englisch)
Nanomagnetism Magnonics Magneto optics Spin waves Microscopy Micromagnetic simulation Superconductivity Kerr effect
Autor*innen
Sebastian Lamb-Camarena 
Haupttitel (Englisch)
3d curvilinear nano-magnetism and spatio-temporal magnetooptic microscopy
Publikationsjahr
2024
Umfangsangabe
207 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Gyorgy Csaba ,
Claire Donnelly
AC Nummer
AC17386249
Utheses ID
73464
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |