Doctoral Thesis

Brillouin light scattering characterization of nanoscale spin waves

Final Thesis 11.07 MB

Author of thesis: Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewers: Dr. Ping Che, Prof. Dr. Burkard Hillebrands

Abstract:

Spin waves (and their quasi-particle magnons) have the potential to be used as a new platform for data transfer and processing, as they can reach wavelengths in the nanometer range and frequencies in the terahertz range. However, currently, the only technique enabling the spatial investigation of the nanoscale spin waves is time-resolved x-ray microscopy, requiring synchrotron radiation and making investigation of nanoscale-related phenomena time and resource demanding. On the contrary, Brillouin light scattering (BLS) is a common tabletop technique available in many magnonics laboratories. During my PhD research, I brought the possibility of measuring nanoscale spin waves to standard micro-focused BLS setup by utilizing Mie resonances in dielectric nanoresonators. I investigated this phenomenon by measuring thermally induced spin waves in NiFe layer using a single silicon disk as a Mie resonator. To analyze the obtained data, I developed a theoretical model for micro-focused BLS. Moreover, by introducing the periodical structures, I demonstrated the measurement of the nanoscale spin waves with in-plane wavevector resolution. I measured the dispersion relation of thermally excited spin waves down to the wavelengths of 50 nm, which is one order of magnitude improvement compared to the conventional BLS. Finally, I investigated coherently excited spin waves, where the phase-resolved measurements are demonstrated by measuring the spin-wave wavelength of 204 nm with the uncertainty of only 6 nm. In summary, the presented results open a new way of analyzing the micro-focused BLS data and measuring nanoscale spin waves. The presented approach is general and can revolutionize the field of condensed matter physics and mechanobiology in the same way as a plasmon-enhanced Raman spectroscopy.

Keywords:

magnonics, spin wave, Brillouin light scattering, Mie resonances, light-matter interaction

Date of defence

04.09.2024

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Doktorská práce Ondřeje Wojewody se zaměřuje na charakterizaci magnonických zařízení pomocí Brillouinovy spektroskopie a mikroskopie rozptylu světla, nejuniverzálnější a nejrozšířenější analytické techniky pro studium spinových vln. Doktorand tuto techniku během doktorandského studia rozvinul na nejvyšší světovou úroveň jak teoreticky, tak experimentálně. Ukázal, že je možné obejít základní hranici minimální detekovatelné vlnové délky spinové vlny (aktuálně kolem 260 nm) pomocí dielektrických nanoreaktorů a předvedl detekci spinových vln 40 nm. Všechny experimenty navíc podpořil komplexním analytickým modelem, díky kterému je možné hlouběji porozumět studovaným procesům nepružného rozptylu světla na magnonech. Práce je aktuální a stanovené cíle byly splněny. Výsledky své disertace student publikoval ve čtyřech prvoautorských a v šesti dalších publikacích v recenzovaných vědeckých časopisech. V průběhu obhajoby pan Wojewoda prokázal skvělé znalosti nejen ze svého hlavního fyzikálního zázemí, ale i schopnost adaptovat se na nové směry výzkumu a přispět ke stavu techniky v dalších projektech. Na dotazy komise a oponentů odpověděl výborně.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (STIAMN)

Field of study

Advanced nanotechnologies and microtechnologies (PNTMT)

Composition of Committee

prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (předseda)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (místopředseda)
Prof. Dr. Burkard Hillebrands (člen)
Dr. Ping Che (člen)
Doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 62,96 kB

Reviewer’s report
Dr. Ping Che

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 263,78 kB

Reviewer’s report
Prof. Dr. Burkard Hillebrands

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 97,78 kB

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová