title: Experimental realization of direct- and inverse-design magnonic devices
Creators: name: Zenbaa, Noura Ahmed Elsamanoudy Abdelmeguid
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: In dieser Arbeit wird die Entwicklung von magnetischen Bauelementen unter Verwendung von Yttrium-Eisen-Granat (YIG) als Plattform für moderne Datenverarbeitungsanwendungen untersucht. Zur Realisierung dieser Bauelemente werden sowohl konventionelle Methoden des direkten Designs als auch innovative Methoden des inversen Designs eingesetzt. Die Forschung wurde im Rahmen des FWF-Stipendiums MagFunc [10.55776/I4917] durchgeführt. Die Magnonik ist ein sich rasch entwickelnder Bereich, in dem Magnonen, die Quanten von Spinwellen, für die Informationsübertragung und -verarbeitung genutzt werden. Spinwellen, d. h. die kollektiven Anregungen der Spinpräzession von Elektronen in magnetischen Materialien, haben sich aufgrund ihrer einzigartigen Eigenschaften als vielversprechende Kandidaten für Datenträger erwiesen. Dazu gehören ein geringer Energieverlust, eine inhärente nichtlineare Dynamik, hohe Betriebsfrequenzen und kurze Wellenlängen, die sich der Gitterkonstante nähern können. Darüber hinaus zeigen Spinwellen unter bestimmten Bedingungen eine nicht-reziproke Ausbreitung, wodurch sie sich für fortschrittliche Signalverarbeitungsanwendungen eignen. Während zahlreiche magnonische Bauelemente mit Hilfe konventioneller direkter Entwurfsmethoden erfolgreich realisiert wurden, sind inverse Entwurfsansätze erst in jüngster Zeit erforscht worden, hauptsächlich durch numerische Simulationen. Diese Arbeit konzentriert sich auf die Realisierung von magnonischen Bauelementen, die sowohl mit direkten als auch mit inversen Entwurfsmethoden realisiert werden, um ihr Potenzial für das magnonbasierte Rechnen zu bewerten. Zu den spezifischen Forschungsfragen, die in dieser Arbeit behandelt werden, gehören: 1. Was sind die entscheidenden Merkmale von Spinwellen in magnetischen Doppelschichten im Nanomaßstab? Wie kann das Phänomen der nicht-reziproken Ausbreitung von Spinwellen in magnetischen Doppelschichten effektiv für fortschrittliche magnonische Gerätefunktionen genutzt werden? 2. Ist es möglich, spezielle Hardware zu entwickeln, die das inverse Problem direkt im Experiment lösen kann, anstatt sich ausschließlich auf numerische Methoden zu verlassen? Welche Art von experimentellem Aufbau kann entworfen und implementiert werden, um als Proof-of-Concept für experimentelle inverse Design-Magnonik zu dienen? 3. Welche Vorteile bietet der Ansatz des inversen Designs für die Entwicklung von magnetischen Bauelementen? Kann der Ansatz des inversen Designs erweitert werden, um eine universelle magnonische Datenverarbeitungseinheit zu realisieren, die in der Lage ist, verschiedene Aufgaben in einem einzigen Gerät auszuführen? Zur Beantwortung der ersten Frage wurde eine numerische Simulationsstudie über nanodicke magnetische Doppelschichten durchgeführt. Die Doppelschichten bestanden aus einer 100 nm dicken YIG-Schicht und einer 40 nm dicken Kobalt-Eisen-Bor-Schicht (CoFeB) darüber. Es wurden zwei Doppelschichten hergestellt, von denen eine eine zusätzliche Schicht eines nichtmagnetischen Abstandshalters aus SiO2 zwischen den YIGund CoFeB-Schichten aufwies. Ihre Dämpfung wurde mit Hilfe der Ferromagnetischen Resonanz (FMR) untersucht. Eine Dispersionsrelation beider Doppelschichten wurde mittels wellenzahlaufgelöster Brillouin-Lichtstreuung (k-aufgelöste BLS-Spektroskopie) gemessen, die mit den numerischen Simulationen übereinstimmte und eine ausgeprägte nicht-reziproke Spinwellenausbreitung bestätigte. Mehrere Mikrostreifenantennen mit unterschiedlichen Breiten wurden auf dem zweischichtigen Film YIG(100 nm)/SiO2(5 nm)/CoFeB(40 nm) mittels Elektronenstrahllithographie hergestellt. Die nicht-reziproke Ausbreitung wurde mit mikrofokussierter μ-BLS gemessen. Das Bauteil funktioniert wie eine Diode, da es eine unidirektionale Ausbreitung zeigte, bei der in 4 μm Entfernung von der Antenne ein starkes Spinwellensignal nur in einer Richtung (bei +200 mT) nachgewiesen wurde, während es in der entgegengesetzten Richtung (bei -200 mT) nahe Null war. Zur Beantwortung der zweiten Forschungsfrage sollte in dieser Arbeit das erste experimentelle inverse Design von magnetischen Bauelementen demonstriert werden, da diesesKonzept bisher nur zur numerischen Realisierung von magnetischen Bauelementen verwendet wurde. Um dies zu erreichen, wurde der erste und einzige spezialisierte Versuchsaufbau gebaut, der Ansätze des inversen Designs verwendet. Sie basiert auf einer rechteckigen, mikrometerdicken YIG-Folie, die unter einer Leiterplatte (PCB) mit einer 7×7 omegaförmigen Gleichstromschleifenanordnung angeordnet ist. Dieses Gleichstrom-Array dient als Designbereich und bietet 10162 Freiheitsgrade, da jede Schleife Ströme von ±1A in 2048 Schritten führen kann. Es werden bis zu drei Eingangs- und Ausgangsantennen verwendet. Dieser Aufbau diente als Proof-of-Concept für experimentelle Invers-Design-Magnonik. Was die dritte und letzte Frage betrifft, so wurden die Stärken des inversen Designs durch die Demonstration mehrerer magnonischer Bauelemente erforscht. Im Rahmen der HF-Bauteile wurden ein linear rekonfigurierbarer Notch-Filter mit einem Dämpfungsleistungsverhältnis von 104 und ein linearer Frequenzdemultiplexer realisiert. Im Bereich der Datenverarbeitung wurden mehrere nichtlineare Logikgatter, bei denen binäre Daten ("0" und "1") in der Spinwellenamplitude kodiert sind, einschließlich NOT, OR, NOR, AND, NAND und einer Halbaddierer-Logik, mit hohen Kontrastverhältnissen zwischen den logischen Zuständen demonstriert, die für den Aufbau eines vollständigen Prozessors ausreichen. All diese Funktionen wurden auf demselben Gerät demonstriert, was unseren Aufbau zu einer universellen magnonischen Datenverarbeitungseinheit macht, die in der Lage ist, verschiedene andere nichtlineare Funktionen zu erreichen, die bei der Entwicklung von Reservoir-Computing, neuromorphem Computing und anderen unkonventionellen Computern eingesetzt werden könnten.
description: This thesis explores the development of magnonic devices utilizing Yttrium Iron Garnet (YIG) as a platform for advanced data processing applications. Both conventional directdesign and innovative inverse-design methodologies are employed to realize these devices. The research was carried out as part of the Austrian Science Fund (FWF) grant MagFunc [10.55776/I4917]. Magnonics is a rapidly advancing field that utilizes magnons, the quanta of spin waves, for information transfer and processing. Spin waves, which are the collective excitations of electron spin precession in magnetic materials, have emerged as promising candidates for data carriers due to their unique properties. These include low energy dissipation, inherent non-linear dynamics, high operating frequencies, and short wavelengths that can approach the lattice constant. Additionally, spin waves exhibit non-reciprocal propagation under certain conditions, making them suitable for advanced signal processing applications. While numerous magnonic devices have been successfully implemented using conventional direct-design methods, inverse-design approaches have only recently been explored, primarily through numerical simulations. This thesis focuses on the realization of magnonic devices using both direct- and inverse-design methodologies, aiming to evaluate their potential for magnon-based computing. The specific research questions addressed in this work include: 1. What are the defining characteristics of spin waves in nanoscale magnetic bilayers? How can the phenomenon of non-reciprocal spin-wave propagation in magnetic bilayers be effectively exploited for advanced magnonic device functionalities? 2. Is it possible to design specialized hardware that can solve the inverse problem directly in the experiment, rather than relying solely on numerical methods? What kind of experimental setup can be designed and implemented to serve as a proof-ofconcept for experimental inverse design magnonics? 3. What are the advantages of utilizing the inverse-design approach for the development of magnonic devices? Furthermore, can the inverse-design approach be extended to realize a universal magnonic data processing unit, capable of performing diverse tasks within a single device? To answer the first question, a numerical simulation study on nano-thick magnetic bilayers was conducted. The bilayers were composed of 100 nm-thick YIG film and a 40 nm-thick Cobalt Iron Boron (CoFeB) film on top. Two bilayers were fabricated where one had an extra layer of a non-magnetic spacer of SiO2 in between the YIG and CoFeB films. Their damping was studied using the Ferromagnetic Resonance (FMR) technique. A dispersion relation of both bilayers was measured using wavenumberresolved Brillouin Light Scattering (k-resolved BLS) spectroscopy which was in agreement with the numerical simulations and confirmed a pronounced spin-wave non-reciprocal propagation. Multiple microstrip antennas with different widths were fabricated on the bilayer film YIG(100 nm)/SiO2(5 nm)/CoFeB(40 nm) using electron-beam lithography. The non-reciprocal propagation was measured using microfocused μ-BLS. The device functions as a diode as it showed a uni-directional propagation where at 4 μm away from the antenna, a strong spin-wave signal was only detected in one direction (at +200 mT) while being close to zero in the opposite direction (at -200 mT). To address the second research question, this work aimed to demonstrate the first experimental inverse-design of magnonic devices since the concept has only been used to realize magnonic devices numerically. To achieve this, the first and only specialized experimental setup that employs inverse-design approaches was built. It is based on a rectangular-shaped micron-thick YIG film that is placed below a printed circuit board (PCB) comprising of a 7×7 omega-shaped direct current (DC) loop array. This DC array serves as the design area and it provides 10162 degrees of freedom as each loop can carry currents of ±1A in 2048 steps. It uses up to three input and output antennas. This setup served as a proof-of-concept for experimental inverse-design magnonics. Regarding the third and last question, the strengths of inverse design were explored by demonstrating multiple magnonic devices. In the framework of RF devices, a linear reconfigurable notch filter with an attenuation power ratio that reaches 104 and a linear frequency demultiplexer were realized. And in the framework of computing, multiple nonlinear logic gates where binary data ("0" and "1") are encoded in the spin-wave amplitude, including NOT, OR, NOR, AND, NAND, and a half-adder logic, were demonstrated with high contrast ratios between the logic states, sufficient for building a full processor. All these functionalities were demonstrated on the same device which makes our setup a universal magnonic data processing unit capable of achieving various other nonlinear functionalities that could be used in the development of reservoir computing, neuromorphic computing and other unconventional computing.