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Brillouin Light Scattering for the Optical Detection of Propagating Magnons in a Dilution Refrigerator
Phillip Rehberger
Art der Arbeit
Masterarbeit
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Masterstudium Physics
Betreuer*in
Andrii Chumak
Mitbetreuer*in
Sebastian Knauer
DOI
10.25365/thesis.81972
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-16541.76715.436391-8
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In magnetisch geordneten Materialien breitet sich eine lokale Störung des Spin systems als Spinwelle aus, deren Quasiteilchen als Magnon bezeichnet wird [1–3]. Spinwellen werden in der Magnonik untersucht, da sie Energie und Drehimpuls transportieren können, ohne elektrische Ladung zu übertragen, wodurch sie für verlustarme Informationsverarbeitung interessant sind [4, 5]. In der Quanten magnonik richtet sich das Interesse auf Regime, in denen einzelne oder schwach besetzte Magnonenmoden kohärent an andere physikalische Plattformen koppeln können, beispielsweise an Mikrowellenphotonen, optische Photonen, Phononen oder supraleitende Qubits [6–8]. Solche hybriden Kopplungsschemata sind für die Quantentransduktion zwischen verschiedenen Quantensystemen relevant. Für Experimente, die sich diesem Regime nähern, muss die thermische Magnonen besetzung reduziert werden, damit thermisch besetzte Magnonen die schwachen, kohärent getriebenen Signale von Interesse nicht dominieren. Dies motiviert Messungen bei Millikelvin-Temperaturen, bei denen die Population thermisch angeregter Magnonen exponentiell abnimmt. Der Zugang zur Magnetisierungsdynamik bei solchen Temperaturen erfordert die Implementierung etablierter Raumtemperaturtechniken in der anspruchsvollen experimentellen Umgebung eines Dilution Refrigerators. All-electrical Spin-wave Spektroskopie als elektrische Methode zur Magnonenanregung und-detektion über Mikrowellensignale wurde bereits erfolgreich an solche Bedingungen angepasst [9,10]. Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy ergänzt dies um einen zusätzlichen optischen Messkanal, der Magnetisierungsdynamik über die Frequen zverschiebung inelastisch gestreuten Lichts misst [11–13]. BLS ermöglicht den Zugang zu Frequenz, Wellenvektor, relativer Intensität und räumlicher Verteilung von Spinwellenanregungen, einschliesslich thermisch besetzter Magnonen, und ergänzt damit die all-electrical microwave spectroscopy. Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung, Implementierung und Charakterisierung eines an einen Dilution Refrigerator gekoppelten BLS-Aufbaus zur optischen Detektion von Magnonen unter kryogenen Bedingungen. Der Aufbau kombiniert einen continuous-wave Laser als Lichtquelle, einen tandem Fabry–Pérot Interferometer zur Analyse von Frequenzverschiebungen im GHz-Bereich und eine optische Schnitt stelle zum Dilution Refrigerator. Der Laserstrahl wird auf einem optischen Tisch bei Raumtemperatur vorbereitet, über eine single-mode Glasfaser zum Kryostaten geführt, über die optische Schnittstelle in die kryogene Umgebung eingekoppelt und in Rückstreugeometrie gesammelt. Das inelastisch gestreute Licht wird an schliessend zurück zum optischen Tisch geführt und zur spektralen Analyse in den tandem Fabry–Pérot Interferometer eingekoppelt. Die Funktionalität des Aufbaus wird anhand eines Yttrium Iron Garnet-Films auf einem Gadolinium Gallium Garnet-Substrat verifiziert. Mikrowellengetriebene Spinwellen werden sowohl optisch mittels BLS als auch elektrisch mittels Propagating Spin-wave Spektroskopie detektiert. Der Vergleich zeigt, dass die optisch aufgenommenen Spektren mit den mikrowellengetriebenen Spinwellenmoden übereinstimmen, die in den elektrischen Referenzmessungen identifiziert wurden. Dies bestätigt, dass der kryogene BLS-Aufbau propagierende Magnonen optisch detektieren kann. Acousto-optische Modulation zeigt darüber hinaus, dass BLS-Spektren unter periodisch gepulster Beleuchtung aufgenommen werden können, wodurch ein Ansatz zur Reduktion der mittleren optischen Wärmelast auf die Probe bereitgestellt wird. Durch synchronisiertes optisches und mikrowellenbasiertes Pulsen wurde ein optisch detektiertes Spinwellensignal bis zu einer globalen Gleichgewichtstemperatur der Probe von T^global_p= 237 mK aufgenommen, gemessen mit einem Widerstandsthermometer am Proben Puck. Aufgrund lokaler laserinduzierter Erwärmung stimmt die Temperatur am Fokuspunkt nicht notwendigerweise mit T^global_p am Thermometer überein, wie finite-difference time-domain Simulationen zeigen [14]. Dennoch etablieren die vorgestellten Ergebnisse den realisierten experimentellen Aufbau nach bestem aktuellem Kenntnisstand als erste optische BLS-Plattform zur Detektion propagierender Magnonen in der Umgebung eines Dilution Refrigerators [14]. Damit wird eine experimentelle Grundlage für zukünftige Brillouin light scattering experiments an Einzelmagnon-Anregungen und hybriden Quantensystemen geschaffen
Abstract
(Englisch)
In magnetically ordered materials, a local disturbance of the spin system propagates as a spin wave, whose quasi-particle is called magnon [1–3]. Spin waves are studied in magnonics because they can carry energy and angular momentum without transporting electric charge, making them attractive for low-loss information pro cessing [4,5]. In quantum magnonics, interest extends to regimes where individual or weakly populated magnon modes can couple coherently to other physical plat forms, such as microwave photons, optical photons, phonons, or superconducting qubits [6–8]. Such hybrid coupling schemes are relevant for quantum transduction between different quantum systems. For experiments approaching this regime,the thermal magnon occupation has to be reduced so that thermally populated magnons do not dominate the weak coherently driven signals of interest. This motivates measurements at millikelvin temperatures, where the thermally excited magnon population decreases exponentially. Accessing magnetisation dynamics at such temperatures requires the implement ation of established room-temperature techniques in the challenging experimental environment of a dilution refrigerator. All-electrical spin-wave spectroscopy, as an electrical method of magnon excitation and detection via microwave signals, has already been successfully adapted to such conditions [9,10]. Brillouin light scattering (BLS) spectroscopy adds an additional optical channel that measures magnetisation dynamics via the frequency shift of inelastically scattered light [11–13]. BLS provides access to the frequency, wave vector, relative intensity, and spatial distribution of spin wave excitations, including thermally populated magnons, thereby complementing all-electrical microwave spectroscopy. The objective of this thesis is the development, implementation, and character isation of a BLS setup coupled to a dilution refrigerator for the optical detection of magnons under cryogenic conditions. The setup combines a continuous-wave laser as the light source, a tandem Fabry–Pérot interferometer for the analysis of GHz-scale frequency shifts, and an optical interface to the dilution refrigerator. The laser beam is prepared on a room-temperature optical table, guided to the cryostat through a single-mode optical fibre, coupled into the cryogenic environment via the optical interface, and collected in a backscattering geometry. The inelastically scattered light is then guided back towards the optical table and coupled into the tandem Fabry–Pérot interferometer for spectral analysis. The functionality of the setup is verified using a yttrium iron garnet film on a gadolinium gallium garnet substrate. Microwave-driven spin waves are detected both optically by BLS and electrically by propagating spin-wave spectroscopy. The comparison shows that the optically recorded spectra are consistent with the microwave-driven spin-wave modes identified in the electrical reference measure ments, verifying that the cryogenic BLS setup can detect propagating magnons optically. Acousto-optic modulation further shows that BLS spectra can be ac quired under periodically pulsed illumination, offering a route to lower the average optical heat load on the sample. Using synchronised optical and microwave pulsing, an optically detected spin-wave signal was recorded down to a global equilibrium sample temperature of T^global_p = 237mK, measured with a resistance thermometer at the sample puck. Due to local laser-induced heating, the temperature at the focal spot does not necessarily accord with T^global_p via finite-difference time-domain simulations [14]. at the thermometer, as reported Nevertheless, the presented results establish the realised experimental setup as, to the best of current knowledge, the first optical BLS platform for detecting propagating magnons in a dilution refrigerator environment [14], providing the experimental basis for future Brillouin light scattering experiments on single-magnon excitations, and hybrid quantum systems.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Brillouin-Lichtstreuungsspektroskopie PSWS Magnonen Spinwellen Quantenmagnonik Verdünnungskühlschrank Sub-kelvin Temperaturen Sich ausbreitende Magnonen Kryogene Brillouin-Lichtstreuung Optische Magnon-Detektion Yttrium-Eisen-Granat Magnetostatische Oberflächen-Spinwellen Mikrowellenangeregte Magnonen Quantenhybridsysteme Magnon-Detektion bei niedrigen Temperaturen
Schlagwörter
(Englisch)
Brillouin light scattering spectroscopy PSWS Spin-waves Quantum Magnonics Dilution refrigerator Sub-kelvin temperatures Magnonics Quantum hybrid systems Sich ausbreitende Magnonen Millikelvin magnonics Millikelvin-Magnonik Cryogenic Brillouin light scattering Optical magnon detection Yttrium iron garnet Magnetostatic surface spin waves Microwave-driven magnons Magnon detection at low temperatures
Autor*innen
Phillip Rehberger
Haupttitel (Englisch)
Brillouin Light Scattering for the Optical Detection of Propagating Magnons in a Dilution Refrigerator
Paralleltitel (Deutsch)
Brillouin-Lichtstreuung zur optischen Detektion von sich ausbreitenden Magnonen in einem Verdünnungskühlschrank
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
viii, 85 Seiten : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*in
Andrii Chumak
AC Nummer
AC18030624
Utheses ID
82084
Studienkennzahl
UA | 066 | 876 | |