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Optical and electrical spin-wave detection at millikelvin Ttmperatures for hybrid quantum magnonics
David Schmoll
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.81930
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-10610.87019.535122-7
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Moderne Quantentechnologien bieten das Potenzial, Magnonen – die Quanten von Spinwellen – als Träger von Quanteninformation in hybride Systeme einzubinden. Insbesondere auf Magnonen basierende Quantentransduktion zwischen physikalischen Plattformen wie supraleitenden Qubits und Photonen könnte vielversprechende Möglichkeiten für die Quantentelekommunikation eröffnen. Derartige Anwendungen erfordern, dass magnonische Elemente bei Millikelvin-Temperaturen implementiert und manipuliert werden können, um Kohärenzzeiten durch die Unterdrückung der thermischen Magnonenpopulation zu optimieren und die Integration in etablierte Qubit-Architekturen zu ermöglichen. Der Ferrimagnet Yttrium-Eisen-Granat (YIG), der für hochwertige Filme typischerweise auf paramagnetischen Gadolinium-Gallium-Granat (GGG)-Substraten gezüchtet wird, ist die Standardplattform für effiziente Operationen mit Spinwellen bei Raumtemperatur. Der Übergang ins Quantenregime birgt aufgrund der extremen Temperaturbedingungen jedoch kritische materialspezifische und experimentelle Herausforderungen. Diese Dissertation treibt die Entwicklung der Quantenmagnonik voran, indem sie systematisch Dissipationsmechanismen in YIG-GGG-Heterostrukturen bei millikelvin Temperaturen untersucht und eine optische Möglichkeit zur Detektion propagierender Magnonen im Sub-Kelvin Regime implementiert. Der erste Teil dieser Arbeit bezieht sich auf die drastische Verkürzung der Lebensdauer von Magnonen in YIG-GGG Proben bei kryogenen Temperaturen. Mittels temperaturabhängiger Ferromagnetischer Resonanz (FMR) Spektroskopie wurde die asymmetrische, streufeldinduzierte Verbreiterung der Linienbreite, verursacht durch das paramagnetische GGG-Substrat, charakterisiert und anschließend durch Mikrostrukturierung des YIG-Films eliminiert. Zusätzlich enthüllten diese Studien, entgegen der Erwartungen, ein
nicht-lineares Dämpfungsverhalten bei Temperaturen unterhalb von 10 K. Um auch die Dämpfung propagierender Magnonen besser zu verstehen, wurde die Transmission von Spinwellen in YIG mittels Propagierender Spinwellen Spektroskopie (PSWS) in einem Mischungskryostaten bei Temperaturen bis 26 mK elektrisch untersucht. Diese Messungen demonstrierten einen wellenzahlabhängigen Anstieg der Dissipationsrate aufgrund der dipolaren Kopplung von YIG mit dem zum Teil magnetisierten GGG-Substrat. Weiters zeigten die Experimente eine temperaturabhängige Abnahme der Spinwellentransmission, zurückzuführen auf die Relaxation von Seltenerd-Ionen. Zusammenfassend verdeutlichen diese Ergebnisse die fundamentalen physikalischen Grenzen für den Transport einzelner Magnonen in klassischen YIG-GGG Poben. Neben der Möglichkeit elektrischer Charakterisierung, erfordern hybride Quantennetzwerke und die Möglichkeit der Quantentransduktion Magnon-Photon-Kopplung unter kryogenen Bedingungen. Die Brillouin-Lichtstreuungs-Spektroskopie (BLS) stellt ein etabliertes Verfahren zur optischen Untersuchung von Spinwellen dar, indem die induzierten Frequenzverschiebungen des Lichts nach inelastischer Streeung an Spinwellen analysiert werden. Während diese Detektionsmethode bereits bei Temperaturen von flüssigem Helium verwendet wird, war sie bisher noch nicht in Mischungskryostaten mit Zugang zum Sub-Kelvin-Bereich zugänglich. Diese Dissertation demonstriert die erste optische Detektion kohärent angeregter, propagierender Spinwellen innerhalb eines Mischungskryostaten mittels BLS-Spektroskopie. Durch die gleichzeitige Detektion des optischen und elektrischen Signals derselben Spinwellenmode in verschiedenen Temperaturbereichen und bei unterschiedlichen Magnetfeldern konnte gezeigt werden, dass die BLS-Spektren der elektrischen Transmission zuverlässig folgen. Während der Experimente wurde die globale Gleichgewichtstemperatur der Probe über ein Widerstandsthermometer gemessen, während die lokale laserinduzierte Erwärmung numerisch modelliert wurde. Bei der niedrigsten optischen Leistung von 7.9 μW, die noch eine Spinwellendetektion
ermöglichte, konnte die globale Gleichgewichtstemperatur beim Thermometer bei 510 mK gehalten werden, während die numerischen Berechnungen eine lokale Temperatur von 900 mK im Laser-Fokus ergaben. Dies bestätigt die erfolgreiche Implementierung der BLS-Spektroskopie unter Sub-Kelvin-Bedingungen. Die in dieser Arbeit präsentierten Ergebnisse markieren einen Meilenstein bei der Realisierung quantenmagnonischer Experimente mit propagierenden Spinwellen. Durch das bessere Verständnis von Dissipationsmechanismen in YIG-GGG Proben bei millikelvin Temperaturen und die erfolgreiche Etablierung einer optischen Methode zur Spinwellendetektion bei Sub-Kelvin Temperaturen in einem Mischungskryostaten liefert diese Arbeit eine wichtige experimentelle Grundlage für zukünftige über Magnonen vermittelte Quantentransduktion und ihre Einbindung in hybride Quantensysteme.
Abstract
(Englisch)
Modern quantum technologies hold the potential to interface magnons, the quanta of spin waves, as quantum information carriers in hybrid quantum systems. Especially magnon-mediated quantum transduction between physical platforms such as superconducting qubits and photons offers promising opportunities for quantum telecommunication. Such applications require the operation and manipulation of magnonic circuits at millikelvin temperatures to optimize coherence times via the suppression of the thermal magnon population and to allow for the integration in established qubit architectures. The ferrimagnet Yttrium Iron Garnet (YIG), typically grown on paramagnetic Gadolinium Gallium Garnet (GGG) substrates for high quality films, is the standard platform for low-loss magnonics at room temperature. However, bridging the gap to the quantum regime reveals critical material and experimental challenges due to the extreme temperature environments. This thesis advances the pursuit of quantum magnonics by systematically unraveling low-temperature dissipation mechanisms in YIG-GGG heterostructures and by implementing an optical interface for the detection of propagating magnons in the sub-kelvin regime. The initial focus of this thesis lies in improving the understanding of the severe degradation of magnon lifetimes in YIG-GGG at cryogenic temperatures. Through temperature-dependent ferromagnetic resonance (FMR) spectroscopy, the asymmetric, stray-field-induced linewidth broadening caused by the paramagnetic GGG substrate was characterized and subsequently eliminated by microstructuring the plane film into a YIG stripe and a YIG square via Ultra-Violet (UV) lithography and Argon ion beam etching, creating structures small enough to fit within the homogeneous region of the GGG stray field. Additionally, these studies revealed a non-Gilbert-like damping behavior intrinsic to the low-temperature regime below 10 K. To further comprehend the magnetic losses of propagating magnons, transport within micrometer-thick YIG was investigated using Propagating Spin-Wave Spectroscopy (PSWS) in a dilution refrigerator down to 26 mK. These measurements demonstrated a wavenumber-dependent increase in the dissipation rate due to dipolar coupling of the ferrimagnetic YIG layer with the partially magnetized GGG substrate. At the lowest measured temperature of 26 mK, an increase in dissipation of up to 55 % between the FMR point and the highest excited wavenumber was recorded. Furthermore, a general temperature-dependent decrease of the transmission amplitude was observed and can be attributed to rare-earth ion relaxations according to literature. Together, these findings highlight fundamental physical boundaries for the transport of individual magnons in standard YIG-GGG structures. Beyond electrical characterization, realizing hybrid quantum networks and quantum transduction requires the ability of magnon-photon coupling at the necessary cryogenic conditions. Brillouin Light Scattering (BLS) spectroscopy represents an established mechanism for optical spin-wave probing, via analyzing the induced frequency shifts of light that is inelastically scattered from magnons. While this technique already provided free-space optical access at liquid helium temperatures, it was not yet implemented in dilution refrigerators with access to the sub-kelvin regime. This thesis demonstrates the first optical detection of coherently driven, propagating spin waves inside a dilution refrigerator using BLS spectroscopy. By simultaneously recording the optical and electrical responses of the same spin-wave mode at different temperature regimes and magnetic
fields, the BLS spectra were shown to reliably track the electrical transmission. During the experiments, the global equilibrium sample temperature was measured via a resistance thermometer, while local laser-induced heating was modelled numerically. At the lowest optical power of 7.9 μW that still enabled spin-wave detection, the global equilibrium temperature maintained at 510 mK and the numerical calculations yield a local temperature of 900mK at the focal spot, confirming the implementation of BLS spectroscopy under sub-kelvin conditions. The findings presented in this thesis mark a milestone in the realization of quantum magnonic experiments with propagating magnons. By delineating the fundamental low-temperature dissipation channels in YIG-GGG architectures and successfully establishing a dilution-refrigerator sub-kelvin optical interface, this work provides a crucial experimental foundation for future magnon-mediated quantum transduction and the development of robust hybrid quantum systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Magnonik Spinwellen Magnetismus Millikelvin Quanten-Magnonik Brillouin Lichtstreuungs Spektroskopie
Schlagwörter
(Englisch)
Magnonics Spin Waves Magnetism Millikelvin Quantum Magnonics Brillouin Light Scattering Spectroscopy
Autor*innen
David Schmoll 
Haupttitel (Englisch)
Optical and electrical spin-wave detection at millikelvin Ttmperatures for hybrid quantum magnonics
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
xvii, 125 Seiten : Illustrationen, Diagramme
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Gianluca Gubbiotti ,
Toeno van der Sar
AC Nummer
AC18026763
Utheses ID
81883
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |