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Magnons in ferrimagnets and hybrid structures for quantum magnonics at ultra-low temperatures
Rostyslav Serha
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Andrii Chumak
DOI
10.25365/thesis.80228
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-13039.41112.358925-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Die Quantenmagnonik erforscht die Quanteneigenschaften von Magnonen, den Quanten von Spinwellen, und ihr Potenzial als Träger quantitativer Information in hybriden Festkörpersystemen. Durch die kollektive Präzession von Spins in magnetischen Materialien bietet die Magnonik eine ladungsfreie und verlustarme Alternative zur konventionellen elektronischen Informationsverarbeitung und stellt einen vielversprechenden Ansatz für kohärente Quanten-Schnittstellen dar, welche Magnonen, Photonen, Phononen und supraleitende Qubits koppeln. Diese Dissertation trägt zu diesem Forschungsfeld bei, indem Yttrium-Eisen-Granat (YIG), der magnetische Isolator mit der geringsten bekannten Dämpfung, und die darin vorhandenen Magnonen als Materialplattform für niedertemperaturbasierte und quasi-kohärente Quantenmagnonik untersucht werden. Die Arbeiten wurden im Rahmen des FWF-Projekts I-6568 Paramagnonics durchgeführt. Die Motivation dieser Arbeit liegt in der Realisierung langlebiger, kohärenter und sich ausbreitender Magnonen, die für die Quanteninformationsverarbeitung geeignet sind. In heutigen Quantenmagnonik-Architekturen werden supraleitende Qubits zur Erzeugung und Detektion von Magnonen eingesetzt, deren Kohärenzzeiten im Bereich von mehreren zehn Mikrosekunden liegen und damit die Magnonen-Lebensdauern um Größenordnungen übersteigen. In YIG zeigen uniforme Kittel-Moden in Sphären typischerweise Lebensdauern von wenigen hundert Nanosekunden, während sich ausbreitende Magnonen in dünnen Filmen bei Millikelvin-Temperaturen innerhalb von einigen zehn Nanosekunden verlieren. Die Überwindung dieser Zeitlückigkeit ist eine zentrale Voraussetzung zur Realisierung hybrider quantenmagnonischer Systeme. Zur Etablierung einer geeigneten theoretischen Grundlage wurde ein vereinheitlichtes Modell zur Beschreibung der temperaturabhängigen spontanen Magnetisierung in Ferrimagneten entwickelt und exemplarisch auf YIG angewandt. Die Theorie kombiniert Spinwellen- und Molekularfeldnäherungen in einem konsistenten Rahmen und reproduziert sowohl eigene VSM-Messdaten als auch Literaturwerte über den gesamten Temperaturbereich vom Curie-Punkt bis 1,8 K. Dieses Modell liefert eine zuverlässige Grundlage zur Beschreibung des temperaturabhängigen magnetischen Ordnungsverhaltens von YIG und kann auf weitere mehrsublattige ferri- und antiferromagnetische Systeme übertragen werden. Für quantenmagnonische Anwendungen sind dünne YIG-Filme von zentraler Bedeutung, da sie verlustarme, sich ausbreitende Magnonen unterstützen und sich in supraleitende On-Chip-Architekturen integrieren lassen. In dieser Arbeit wurde ein 97 nm dicker YIG-Film auf einem 500 µm dicken Gadolinium-Gallium-Granat (GGG)-Substrat mittels breitbandiger FMR zwischen 300 K und 30 mK untersucht, ergänzt durch VSM-Messungen des Substrats bis 1,8 K. Die Ergebnisse zeigen, dass das paramagnetische GGG bei tiefen Temperaturen im externen Magnetfeld teilweise magnetisiert wird und ein inhomogenes Streufeld im YIG-Film erzeugt. Dieses führt zu einer Verschiebung der FMR-Resonanz und zu einer deutlichen Linienverbreiterung. Darüber hinaus koppelt das teilweise magnetisierte GGG-Spinsystem dynamisch an die Präzession der YIG-Magnetisierung, wodurch ein hybrides Magnonsystem entsteht, in dem sowohl statische Gradienten als auch dynamische Kopplung die magnetische Dämpfung erhöhen und die Magnonenlebensdauer reduzieren. Analytische Modelle und mikromagnetische Simulationen bestätigen diesen Mechanismus und zeigen, dass YIG/GGG-Filme für quantenkohärente Anwendungen ungeeignet sind. Um diese Einschränkung zu überwinden, wurde ein neuer diamagnetischer und gitterangepasster Substratwerkstoff eingeführt: Yttrium-Scandium-Gallium-Aluminium-Granat (YSGAG). Ein 150 nm dicker YIG-Film auf YSGAG zeigte identische magnetische Eigenschaften wie YIG/GGG bei Raumtemperatur, behielt jedoch im Millikelvin-Bereich seine schmalen Linienbreiten und extrem niedrige Dämpfung. Dies bestätigt YSGAG als ideales Substrat für Quantenmagnonik, da es die langen Magnonenlebensdauern ermöglicht, die für sich ausbreitende Magnonen und kohärenten Betrieb erforderlich sind. Darüber hinaus wurde YIG in dünnen Filmen und Sphären im Vergleich zu alternativen magnonischen Materialplattformen bewertet. Trotz der Vielfalt verfügbarer Systeme bleibt YIG aufgrund seiner unübertroffenen magnetischen Dämpfung, wie in dieser Arbeit bei ultrakalten Temperaturen demonstriert, das vielversprechendste Material. Im zweiten Teil wurden nichtlineare Magnonprozesse in YIG-Sphären mittels senkrechter parametrischer Anregung und Drei-Magnon-Schwellentests untersucht. Die Messungen zeigen, dass kurzwellige Dipol-Austausch-Spinwellen (DESW) bei sinkender Temperatur Lebensdauern bis zu 18 µs erreichen, die längsten bisher beobachteten Magnonenlebensdauern. Unterhalb von 100 mK wird die Lebensdauer nur noch durch Restverunreinigungen begrenzt, was nahelegt, dass durch eine weitere Verbesserung der Kristallreinheit noch längere Kohärenzzeiten erzielt werden können. Die in dieser Dissertation gezeigten Ergebnisse markieren einen wesentlichen Schritt hin zur quantenkohärenten Magnonik. YIG/YSGAG stellt eine Materialplattform dar, die ultrageringe Dämpfung und lange Magnonenlebensdauern bis in den Millikelvin-Bereich bewahrt, und ermöglicht Magnonen-Kohärenzzeiten vergleichbar mit supraleitenden Qubits. Damit eröffnet sich ein klarer Weg zu skalierbaren Quantenmagnonik-Systemen mit kohärentem Magnontransport, starker Magnon-Qubit-Kopplung und integrierten Quantenarchitekturen basierend auf langlebigen Magnonen.
Abstract
(Englisch)
Quantum magnonics explores the quantum properties of magnons, the quanta of spin waves, and their potential as carriers of quantum information in hybrid solid-state systems. By exploiting the collective precession of spins in magnetic materials, magnonics offers a charge-free, low-loss alternative to conventional electronic information processing and provides a promising route toward coherent quantum interfaces that couple magnons, photons, phonons, and superconducting qubits. This thesis advances the field by exploring YIG, the magnetic insulator with the lowest known damping, and the magnons it supports as a material platform for low-temperature and quantum magnonics. The research was carried out within the Austrian Science Fund (FWF) project I-6568 Paramagnonics. The motivation behind this work lies in the pursuit of long-living, coherent and propagating magnons suitable for quantum information processing. In current quantum magnonic architectures, superconducting qubits are used to generate and detect magnons, yet their coherence times of tens of microseconds exceed those of magnons by orders of magnitude. In YIG, uniform Kittel-mode magnons in spheres typically exhibit lifetimes of a few hundred nanoseconds, while propagating magnons in thin films decay within several tens of nanoseconds at millikelvin temperatures. Bridging this gap in coherence time is a central requirement for realizing hybrid quantum-magnonic systems. To establish the material and theoretical basis for this goal, a unified model describing the temperature dependence of spontaneous magnetization in ferrimagnets was developed and applied to YIG as a model system. The theory combines spin-wave and mean-field approximations into a single framework, and reproduces experimental data obtained using a VSM and literature reports over the full temperature range from the Curie point down to 1.8 K. This approach provides a robust foundation for understanding the temperature-dependent magnetization behavior of YIG, which can be generalized to other multi-sublattice ferrimagnetic and antiferromagnetic materials. For quantum applications, thin YIG films are essential because they support low-loss propagating magnons and can be integrated on-chip with superconducting circuits, enabling the transition from standing magnons in bulk samples to propagating magnons in scalable device architectures. In this work, a 97 nm-thick YIG film grown by liquid-phase epitaxy on a 500 µm GGG substrate was investigated using broadband FMR spectroscopy from 300 K down to 30 mK, complemented by VSM measurements of the GGG substrate down to 1.8 K. The results show that, at low temperatures and inside an external magnetic field, the paramagnetic GGG substrate becomes partially magnetized and generates an inhomogeneous stray field within the YIG layer. This field shifts the FMR resonance in frequency and broadens its linewidth. Moreover, the partially magnetized GGG spin system couples to the precessing YIG magnetization, forming a hybrid magnetic system in which both static field gradients and spin coupling enhance the magnetic damping and reduce the magnon lifetime. Analytical calculations and micromagnetic simulations confirm this mechanism and demonstrate that these substrate-induced effects make YIG/GGG films problematic for quantum-coherent magnonic operation. To overcome this limitation, a new diamagnetic, lattice-matched substrate material—YSGAG—was introduced and used for the growth of high-quality YIG films. A 150 nm-thick YIG film grown on YSGAG exhibited identical magnetic properties to YIG/GGG at room temperature but, crucially, retained its bulk-like linewidths and record-low damping down to the millikelvin regime. These results establish YSGAG as an ideal substrate for quantum magnonics, as it preserves the long magnon lifetimes required for propagating magnons to travel over extended distances and to support coherent quantum operation. Furthermore, bulk and thin-film YIG on different substrate systems were compared with other established and emerging magnetic materials in magnonics. Despite the diversity and individual advantages of alternative material platforms, YIG remains the most promising candidate for quantum magnonics owing to its unrivaled low magnetic damping, as confirmed by the ultralow-temperature experimental results presented in this work. Beyond thin films, the thesis also explores nonlinear magnon dynamics in bulk YIG spheres through perpendicular parametric pumping and three-magnon splitting threshold measurements. These experiments demonstrate that the lifetime of short-wavelength DESWs increases with decreasing temperature, reaching up to 18 µs in the purest YIG samples—the longest magnon lifetimes ever observed. At temperatures below 100 mK, the lifetimes saturate, limited only by residual rare-earth impurities, showing that additional improvements in crystal purity can extend magnon coherence times even further. The findings presented in this thesis mark a decisive step toward the realization of quantum-coherent magnonics. They establish YIG/YSGAG as a material platform that preserves ultralow damping and long magnon lifetimes down to millikelvin temperatures, and they demonstrate that magnons can reach coherence times comparable to those of superconducting qubits. Together, these results define a clear pathway toward scalable quantum magnonic systems capable of supporting coherent magnon transport, strong magnon–qubit coupling, and the realization of on-chip quantum networks based on long-lived magnons.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Quantenmagnonik YIG Magnonen
Schlagwörter
(Englisch)
Quantum magnonics YIG Magnons
Autor*innen
Rostyslav Serha 
Haupttitel (Englisch)
Magnons in ferrimagnets and hybrid structures for quantum magnonics at ultra-low temperatures
Paralleltitel (Deutsch)
Magnonen in Ferrimagneten und Hybridstrukturen für die Quantenmagnonik bei Ultratieftemperaturen
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
X, 196 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Rudolf Gross ,
Olivier Klein
Klassifikationen
33 Physik > 33.61 Festkörperphysik ,
33 Physik > 33.75 Magnetische Materialien
AC Nummer
AC17771764
Utheses ID
78761
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |