title: High-frequency antennas for all-electrical excitation and detection of propagating spin waves
Creators: name: Höfinger, Andreas
Publisher: name: :none
Year: 2024

description: Der Zugriff auf einzelne Qubits als Quantentechnologieplattform für neuartige Rechenkapazitäten und Quanten-Hybridsysteme hat im letzten Jahrzehnt zunehmendes wissenschaftliches Interesse geweckt. Das neue Feld der Quantenmagnonik nutzt das Potenzial von Spinwellen und ihren zugehörigen Quantenteilchen, den Magnonen, um Informationen in magnetisch geordneten Materialien zu übertragen, zu speichern und zu verarbeiten. Das am häufigsten verwendete Material für magnonische Anwendungen ist monokristalliner Yttrium-Eisen-Granat (YIG), der in der Regel auf Gadolinium-Gallium-Granat (GGG) gezüchtet wird. Um die Physik dieser magnonischen Bauelemente im Submikrometerbereich zu untersuchen, sind hochfrequenzkompatible mikrowellenmagnetische Schaltkreise zur Anregung und zur Detektion von Spinwellen erforderlich. Mikroantennen wurden bereits eingesetzt, um Spinwellen mit kontinuierlichen oder gepulsten Hochfrequenzsignalen anzuregen, was zur Demonstration integrierter magnonischer Schaltkreise und zur Erzeugung von Bose-Einstein-Kondensaten führte. Die Ausbreitung von Spinwellen hat sich als vielversprechend für neuartige Anwendungen der Quanteninformations- verarbeitung erwiesen. Für die effiziente Kopplung und Detektion von sich ausbreitenden Magnonen, die durch HF-Signale angeregt werden, sind daher auf einem Chip lithografierte, großflächig impedanzangepasste Antennen erforderlich. Das wissenschaftliche Ziel dieser Arbeit ist es daher, analytische und numerische Berechnungen der Spin-Wellen-Anregungseffizienz von On-Chip-Mikrowellenantennen unterschiedlichen Entwürfe im Mikrometerbereich durchzuführen, ausgewählte Entwürfe herzustellen und die Spin-Wellen-Anregung der hergestellten Antennen experimentell zu vergleichen. Zunächst habe ich verschiedene Antennenentwürfe für eine verlustarme und effiziente Spinwellenanregung verglichen, die eine Literaturstudie, analytische Berechnungen und multiphysikalische Simulationen umfasst hat. Die elektromagnetischen Finite-Elemente-Simulationen, die mit dem Softwarepaket COMSOL Multiphysics durchgeführt wurden, wurden mit mikromagnetischen numerischen Finite-Differenzen-Berechnungen unter Verwendung des Python-Pakets Magnum.np kombiniert und mit Berechnungen verglichen, die mit dem mikromagnetischen Modellierungspaket TetraX durchgeführt wurden. Es ist mir gelungen, die durch die elektromagnetische Finite-Elemente-Simulation erhaltenen Magnetfeldkomponenten in ein Finite-Differenzen-Gitter zu übertragen, das die Simulationsbox für die mikromagnetische Simulation bildet und bereits die genaue Form des Magnetfelds enthält. Die numerische Simulation umfasst daher die vollständige Behandlung des Problems, von der Anregung des HF-Signals in der Antenne bis zur Ausbreitung der Spinwelle. Zusätzlich habe ich vier verschiedene Antennen für eine optimale Spinwellenanregung mittels Elektronenstrahllithographie in Kombination mit physikalischer Gasphasenabscheidung am Central European Institute of Technology (CEITEC, Brno, Tschechische Republik) hergestellt. Die Antennen wurden auf 48nm dickem YIG, das auf 500μm GGG gezüchtet ist, fabriziert. Die Empfangs- und Detektionsantennen waren jeweils 20 μm voneinander entfernt. Abgeschlossen habe ich das Projekt, indem ich die Anregung und die Detektion von Spinwellen bei Raumtemperatur unter Verwendung der hergestellten Antennenstrukturen gemessen habe. Zur Quantifizierung der Anregungs- und Detektionseffizienz habe ich eine vollelektrische propagierende Spinwellenspektroskopie mit einem kalibrierten 20GHz Vektornetzwerkanalysator (VNA) in Kombination mit einem Elektromagneten bei Feldern bis zu 250 mT durchgeführt. Die Ergebnisse der verschiedenen Antennenentwürfe wurden anschließend untersucht und mit den numerischen und theoretischen Berechnungen verglichen. In dieser Arbeit habe ich eine umfassende Untersuchung von nanometer großen Hochfrequenz-On-Chip-Antennen für die vollelektrische Spektroskropie propagierender Spinwellen demonstriert. Die verwendeten Methoden zeigen eine gute Übereinstimmung zwischen den durch Simulationen und Messungen erhaltenen Ergebnissen in Bezug auf die Spinwellen-Anregungsspektren der untersuchten Mikrowellenantennen. Diese Arbeit wird dazu beitragen, solche Antennen für die Realisierung integrierter Quantenmagnonik weiter zu optimieren und zu entwerfen.
description: Accessing individual qubits as a quantum technology platform for novel computing capabilities and quantum hybrid systems has attracted growing scientific interest in the last decade. The novel field of quantum magnonics harnesses the potential of spin waves (SW) and their single quanta, magnons, to transmit, store, and process information in magnetically ordered materials. The most widely used material for magnonic applications is monocrystalline yttrium iron garnet (YIG), typically grown on gadolinium gallium garnet (GGG). To probe the physics of these magnonic devices at sub-micrometre level, high-frequency compatible microwave-magnetic circuits for excitation and detection of spin waves are required. Microantennas have already been utilised to excite spin waves with continuous or pulsed radiofrequency (RF) signals, leading to the demonstration of integrated magnonic circuits and the control of Bose-Einstein condensates. Propagating spin waves have shown a promising capability for novel quantum information processing applications. Hence, for the efficient coupling and detection of propagating magnons excited by RF-signals, large-area impedance-matched on-chip lithographed antennas are required. Thus, the scientific objective of this thesis is to perform analytical and numerical calculations of the spin-wave excitation efficiency for micrometre-scale on-chip microwave antennas of different designs, to fabricate selected designs, and to compare the spin-wave excitation of the fabricated antennas experimentally. First, I compared different antenna designs for low-loss and efficient spin-wave excitation, comprising literature study, analytical calculations, and multi-physics software simulations. The electromagnetic finite element simulations, performed using the software package COMSOL Multiphysics, were combined with micromagnetic finite difference numerical calculations using the python package Magnum.np and were compared with calculations conducted by the micromagnetic modelling package TetraX. I successfully transferred the magnetic field components obtained by the finite element electromagnetic simulation into a finite difference grid, which already forms the simulation box for the micromagnetic simulation including the exact shape of the magnetic field. Therefore, the numerical simulation includes the complete treatment of the problem, from the excitation of the RF signal in the antenna to the propagating spin wave. I fabricated four different antenna pairs to optimize spin-wave excitation on 48nm thick YIG using electron-beam lithography combined with physical vapour deposition at the Central European Institute of Technology (CEITEC, Brno, Czech Republic). The receiving and detecting antennas were consistently spaced 20 μm apart. The project was concluded by measuring the spin-wave excitation and detection experimentally at room temperature, using the antennas that were designed. To measure the spin-wave excitation and detection efficiency, I performed all-electrical propagating spin-wave spectroscopy (AEPSWS) up to 250mT external field. The results were then compared between the different antenna designs and were checked for agreement with numerical and theoretical calculations. In this study, I utilised a combination of the finite element electromagnetic and finite difference micromagnetic simulations of sub-micrometre antennas for SW excitation and detection. This work offers a new method to analyse different antenna structures in a complete treatment of the problem, from the excitation of an RF signal in the antenna to the propagating spin wave, which has not been demonstrated until now. The simulations results show good agreement with those obtained by measuring the fabricated antennas using all-electrical propagating spin-wave spectroscopy.