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Experimental realization of super-Nyquist sampling timeresolved MOKE for inverse-design magnonic demultiplexer
Philipp Jäger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Andrii Chumak
Mitbetreuer*in
Franz Vilsmeier
DOI
10.25365/thesis.81095
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-20298.11081.246248-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Das Feld der Magnonik untersucht die Nutzung von Spinwellen als Informationsträger für energieeffiziente Datenverarbeitung. Jüngste Fortschritte im Inverse-Design haben das Potenzial rechnergestützter Optimierungsmethoden zur Realisierung komplexer magnonischer Funktionalitäten aufgezeigt. Viele bislang vorgeschlagene Bauelemente sind jedoch auf nanoskalige Dimensionen beschränkt, die experimentell schwer zugänglich und technologisch anspruchsvoll in der Herstellung sind. Diese Arbeit adressiert dieses Skalierungsproblem, indem ein invers entworfener Spinwellen-Demultiplexer auf mikrometergroße Strukturen übertragen wird, die mit etablierten Dünnschicht-Fertigungsverfahren und optischen Charakterisierungsmethoden kompatibel sind. Mittels adjungierter Level-Set-Topologieoptimierung wird ein frequenzselektiver Demultiplexer für 3.8 GHz und 4.0 GHz in einem 100 nm dicken Yttrium-Eisen-Granat-Film im dipolaren Spinwellenregime entwickelt. Unterschiedliche Initialisierungsstrategien werden systematisch untersucht und zeigen den Einfluss geometrischer Freiheitsgrade auf das Konvergenzverhalten sowie auf die spektrale Separation. Die optimierten Strukturen weisen eine robuste frequenzabhängige Signalführung auf und verbleiben dabei im linearen Anregungsregime. Parallel dazu wird ein Super-Nyquist-Sampling zeitaufgelöstes magneto-optisches Kerr-Effekt-Mikroskop (SNS-TR-MOKE) aufgebaut und charakterisiert, um eine phasenaufgelöste Detektion der Spinwellendynamik in mikrometergroßen Bauelementen zu ermöglichen. Der Elektromagnet sowie das optische Detektionssystem werden durch Feldkalibrierung und statische MOKE-Messungen an einer CoFeB-Referenzprobe validiert. Obwohl im Rahmen dieser Arbeit keine stabilen phasenaufgelösten Messungen an strukturierten YIG-Bauelementen realisiert werden konnten, bestätigen propagierende Spinwellen-Spektroskopiemessungen die Anregung dynamischer Magnetisierungsmoden und belegen die magnetische Funktionalität der untersuchten Strukturen. Durch die Verknüpfung von Inverse-Design-Simulationen mit dem Aufbau experimenteller Infrastruktur schafft diese Arbeit eine methodische Grundlage für experimentell realisierbare, invers entworfene magnonische Bauelemente im dipolaren Regime.
Abstract
(Englisch)
The field of magnonics investigates the application of spin waves as carriers of information for energy-efficient data processing. Recent progress in inverse-design has highlighted the potential of computational optimization methods to achieve complex magnonic functionalities. Nonetheless, many previously suggested devices are limited to nanoscale sizes, which are difficult to fabricate and experimentally examine. This thesis tackles this scalability issue by adapting an inverse-designed spin-wave demultiplexer concept to micrometer scales that are compatible with established thin-film fabrication and optical characterization methods. Through adjoint-based level-set topology optimization, a frequency-selective demultiplexer functioning at 3.8 GHz and 4.0 GHz is developed in a 100 nm thick yttrium iron garnet film within the dipolar spin-wave regime. Various initialization strategies are systematically explored, uncovering the impact of geometric degrees of freedom on convergence behavior and spectral separation. The optimized structures demonstrate robust frequency-dependent routing while staying within the linear excitation regime. In parallel, a super-Nyquist sampling time-resolved magneto-optical Kerr effect (SNS-TR-MOKE) microscope is created and characterized to facilitate phase-resolved detection of spin-wave dynamics in micrometer-scale devices. The magneto-optical Kerr effect enables direct, non-invasive optical detection of magnetization dynamics with high temporal resolution. The electromagnet and optical detection setup are validated through field calibration and static MOKE measurements on a CoFeB reference sample. Although stable phase-resolved measurements on structured YIG devices were not demonstrated in this work, propagating spin-wave spectroscopy measurements confirm the excitation of dynamic magnetization modes and demonstrate the magnetic functionality of the investigated structures. By integrating inverse-design simulations with the development of experimental infrastructure, this work lays a methodological foundation for experimentally realizable, inverse-designed magnonic devices operating in the dipolar regime.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Magnonik Spinwellen Inverses Design Magneto-optischer Kerr-Effekt Mikromagnetik
Schlagwörter
(Englisch)
Magnonics Spin waves Inverse design Magneto-optical Kerr effect Micromagnetics
Autor*innen
Philipp Jäger
Haupttitel (Englisch)
Experimental realization of super-Nyquist sampling timeresolved MOKE for inverse-design magnonic demultiplexer
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 80 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andrii Chumak
Klassifikation
33 Physik > 33.75 Magnetische Materialien
AC Nummer
AC17887793
Utheses ID
80441
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |