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Inverse design optimization and experimental study of magnon circuits for room- and cryogenic-temperature applications
Andrey Voronov
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*innen
Andrii Chumak ,
Claas Abert
DOI
10.25365/thesis.80227
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-25901.23146.834642-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Moderne Technologie entwickelt sich in bemerkenswertem Tempo und prägt unser tägliches Leben fortwährend. Auch wenn der Fortschritt unaufhaltsam und sogar beschleunigt erscheint, wird er grundlegend durch wissenschaftliche Forschung ermöglicht, die die nächsten Schritte in Leistung und Funktionalität antizipiert. Ein zentrales Motiv dieser Forschung sind die grundlegenden Beschränkungen der CMOS-Technologien, darunter Energieeffizienz, Wärmeabfuhr, Taktfrequenzerhöhung und die fortgesetzte Verkleinerung aktiver Einheiten. Die Magnonik, die Spinwellen als Quanten kollektiver Magnetisierungsdynamik nutzt, zielt darauf ab, diese Grenzen zu überwinden. Da der Transport von Spinwellen keine Ladungsbewegung erfordert, ist die Joule-Erwärmung intrinsisch reduziert. Zudem lassen sich Magnonen leicht auf Nanometer-Wellenlängen skalieren und arbeiten über einen breiten Frequenzbereich vom Gigahertz- bis zum Terahertz-Bereich, was schnellere und kompaktere Bauelemente ermöglicht. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Fortschritt der magnonbasierten Informationsverarbeitung und leistet einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau von Spinwellen-Technologien, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen betrieben werden können. Dabei werden drei zentrale Herausforderungen adressiert, die derzeit praktische Anwendungen begrenzen. Erstens ist die Entwicklung magnonischer Logikelement auf der Nanoskala mit komplexen Geometrien mittels konventioneller, intuitiongetriebener Entwurfsverfahren schwierig. Zur Lösung wird ein neuartiges Inverse-Design-Framework entwickelt, das mikromagnetische Simulationen mit einer Level-Set-Parametrisierung und der adjoint-state-Methode zur Topologieoptimierung koppelt. Als Demonstrator identifiziert der Algorithmus ein nicht-intuitives Bauelement, das frequenzselektives Spinwellen-Demultiplexing in einem kompakten Designbereich von 1 µm x 1 µm realisiert. Dieses Ergebnis etabliert einen Weg zur automatisierten Synthese fortgeschrittener magnonischer Komponenten und bildet die Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Bauelemente, die intrinsische Nichtlinearitäten ausnutzen. Zweitens erfordert effiziente Spinwellen-Propagation in Nanostrukturen magnetische Medien, die ihre Eigenschaften beim Verkleinern bewahren. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Gallium-substituiertem Yttrium-Eisen-Granat (Ga:YIG) als Plattform für die Spinwellen-Ausbreitung als Alternative zu konventionellem, undotiertem YIG. Kombinierte experimentelle und theoretische Studien an nanofabrizierten Ga:YIG-Wellenleitern mit Breiten bis hinunter zu 145 nm zeigen austauschdominierte Moden mit Gruppengeschwindigkeiten, die um ein Mehrfaches höher sind als in YIG-Strukturen vergleichbarer Größe. Diese Ergebnisse etablieren Ga:YIG als geeignetes Material für nanoskalige magnonische Bauelemente. Drittens adressiert die Arbeit eine kryogene Herausforderung des quantenmagnonischen Rechnens: den parasitären Einfluss eines paramagnetischen Substrats auf die Magnetisierungsdynamik bei millikelvin-Temperaturen. Hierzu wird ein umfassender numerischer Ansatz eingeführt, der eine numerische Lösung der magnetostatischen Maxwell-Gleichungen zur Berechnung des durch GGG induzierten Streufelds mit zeitabhängigen mikromagnetischen Simulationen der ferromagnetischen Resonanz (FMR) und der Spinwellen-Ausbreitung im darüberliegenden YIG-Film kombiniert. Der Rahmen reproduziert experimentell beobachtete Verschiebungen des Resonanzfelds und die Verbreiterung der Linienbreite und steht im Einklang mit analytischen Erwartungen. Damit steht ein quantitatives Werkzeug zur Verfügung, um substratinduzierte Vorspannungsfelder in Dünnfilmen bei millikelvin-Temperaturen zu berücksichtigen. Diese Fortschritte bei der Entwicklung magnonischer Bauelemente durch Inverse-Design, der nanoskaligen Ausbreitung auf Basis von Ga:YIG und einem kryogenen Modellierungsrahmen für Substrateffekte stellen einen substanziellen Schritt in Richtung Informationsverarbeitung jenseits der CMOS Technologie mit Spinwellen dar. Diese Arbeit wurde durch das FWF-Projekt 4917-N "Non-reciprocal 3D architectures for magnonic functionalities" und das FWF-Projekt I-6568 "Propagating low-energy 4f paramagnons" unterstützt.
Abstract
(Englisch)
Modern technology develops at a remarkable pace and continues to shape everyday life. Although progress appears unceasing and even accelerating, it is fundamentally enabled by scientific research that anticipates the next advances in performance and functionality. A prominent challenge that motivates such research is the set of fundamental limitations faced by CMOS technologies, including power efficiency, heat dissipation, clock-speed scaling, and continued downscaling of active units. agnonics, which exploits the quanta of collective magnetization dynamics, spin waves, aims to overcome these limitations. Because spin-wave transport does not involve charge motion, Joule heating is intrinsically reduced. Moreover, magnons are easily scalable to nanometer wavelengths and operate across a broad frequency range from the gigahertz to the terahertz regime, offering fast and compact devices. The present thesis focuses on advancing magnon-based computing and contributes essential building blocks for realizing spin-wave technologies operating at both room and cryogenic temperatures, addressing three key challenges that currently limit practical implementations. irst, the creation of nanoscale logic elements with intricate geometries is difficult using conventional, intuition-driven design. To address this, a novel inverse-design framework is developed that couples micromagnetic simulations with a level-set parametrization and the adjoint-state method for topology optimization. As a demonstrator, the algorithm discovers a non-intuitive device that performs frequency-selective spin-wave demultiplexing within a compact 1 µm x 1 µm design region. This result establishes a route towards automated synthesis of advanced magnonic components and provides a foundation for future devices that exploit intrinsic nonlinearities. Second, efficient spin-wave propagation in nanostructures requires magnetic media that preserve spin-wave properties upon downscaling. This work explores the utilization of gallium-substituted yttrium iron garnet (Ga:YIG) as a platform for spin-wave propagation, as an alternative to conventional non-substituted YIG. Combined experimental and theoretical studies on nanofabricated Ga:YIG waveguides with widths down to 145 nm demonstrate exchange-dominated modes with group velocities several-fold higher than in comparably sized YIG structures. These results establish Ga:YIG as a viable material for nanoscale magnonic devices. Third, the thesis addresses a cryogenic challenge in quantum magnonics computing: the parasitic influence of a paramagnetic substrate on magnetization dynamics at millikelvin temperatures. A comprehensive numerical approach is introduced that combines a numerical solution of the magnetostatic Maxwell equations to compute the GGG-induced stray field with time-dependent micromagnetic simulations of ferromagnetic resonance (FMR) and spin-wave propagation in the overlying YIG film. The framework reproduces resonance-field shifts and linewidth broadening observed experimentally and aligns with analytical expectations, thereby providing a quantitative tool to account for substrate-induced bias fields in thin films at millikelvin temperatures. These advances in developing inverse-designed magnonic devices, nanoscale propagation based on Ga:YIG, and a cryogenic modeling framework for substrate effects constitute a substantive step toward beyond-CMOS information processing with spin waves. This work was supported by the FWF project 4917-N "Non-reciprocal 3D architectures for magnonic functionalities" and FWF project I-6568 "Propagating low-energy 4f paramagnons"".
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Spinwellen Magnonik Inverse Design Nanostrukturen Millikelvin-Temperaturen
Schlagwörter
(Englisch)
Spin waves Magnonics Inverse design Nanostructures Millikelvin temperatures
Autor*innen
Andrey Voronov 
Haupttitel (Englisch)
Inverse design optimization and experimental study of magnon circuits for room- and cryogenic-temperature applications
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
xi, 119 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Riccardo Hertel ,
Sebastiaan van Dijken
AC Nummer
AC17771734
Utheses ID
78664
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |