Master's Thesis

Spin waves in ferromagnet-superconductor heterostructures

Final Thesis 6.22 MB

Author of thesis: Ing. Jan Klíma

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewer: Dr. Krzysztof Kacper Szulc

Abstract:

With the increasing popularity of quantum computing, there is a rising need to deal with systems operating in cryogenic environments, often incorporating superconducting materials. Hybrid systems utilizing spin waves at cryogenic temperatures could benefit from increased conversion efficiency of electrical and magnonic signals and enable a new class of tunable devices, changing their functionality upon crossing the critical temperature of the superconductors involved. This work focuses on upgrading a standard cryostat setup with the possibility to measure microwave signals, which allows us to study magnetization dynamics and spin waves at low temperatures. The measurement setup is then used to study ferromagnetic systems incorporating superconducting niobium structures in a broad temperature and magnetic field range. Special care is also devoted to the theoretical description of the spin waves in the ferromagnet-superconductor heterostructures. The experimental part of this study employs resistivity measurements to characterize the superconducting properties of thin Nb films and their change when a (ferromagnetic) permalloy layer is placed on top. Characterization of temperature-dependent properties of the magnetic materials is achieved by vector network analysis of ferromagnetic resonance, while the spin wave behaviour is measured by propagating spin-wave spectroscopy. The developed setup opens a wide range of possibilities in characterization of superconducting and magnetic properties of magnetic, superconducting, and hybrid materials and materials systems. A pilot experiment showing enhanced excitation of spin waves by superconducting antennas is presented in the last chapter of this thesis.

Keywords:

magnonics, spin waves, propagating spin wave spectroscopy, superconductivity, electronic transport, ferromagnetic resonance

Date of defence

09.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Možná aplikace tohoto anizotropního jevu. Jak velké projevy anizotropie lze očekávat. Frekvenční limity spinových vln. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

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

Diplomová práce Bc. Jana Klímy se věnuje velmi aktuálnímu tématu šíření spinových vln v systémech feromagnet–supravodič. Autor během řešení projektu důkladně zvládl veškeré aspekty problematiky – od teoretických základů, přes návrh a realizaci úprav experimentálního zařízení až po provedení a vyhodnocení nízkoteplotních měření. Veškeré výsledky a postupy jsou v práci zpracovány nejen obsahově, ale i formálně na vynikající úrovni, srozumitelně a přehledně.

S potěšením konstatuji, že všechny cíle stanovené v zadání diplomové práce byly splněny, a proto práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A. Vzhledem ke své dlouhodobé vědecké aktivitě během studia – výsledky jeho bakalářské práce vedly k úspěšné prvoautorské publikaci v časopise Applied Physics Letters a dále je spoluautorem pěti dalších článků – lze očekávat, že i poznatky obsažené v této diplomové práci poslouží jako základ pro jednu či více odborných publikací v kvalitních časopisech.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Dr. Krzysztof Kacper Szulc

In the thesis entitled "Spin waves in ferromagnet-superconductor heterostructures", Bc. Jan Klíma takes up the subject of the control of spin waves using superconductors. I find the choice of topic spot-on, as it is gaining increasing interest in the scientific community. The main goal of the thesis, which is the measurement of the spin waves in ferromagnet-superconductor heterostructure, was very ambituous, therefore, despite not achieving it, I rate this thesis outstanding. All of the study's intermediate steps were performed correctly, including the characterization of the superconducting and magnetic materials. The introduction is readable and includes the necessary elements to understand the main results. The presentation of the results is exceptional. In summary, the thesis of Bc. Klíma is a valuable contribution to the topics of magnonics and superconductivity and can serve as a comprehensive guide for measuring spin waves in ferromagnet-superconductor heterostructures.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. In Figure 3.3d, does the maximum of the frequency shift follow the rule k ≈ 1/lambda which is mentioned on page 22?
  2. The Author states that the most probable cause of failure in the final experiment was the use of conductive materials. Is it possible to change the materials to less conductive ones or even insulators? If so, would such a change present additional challenges in sample preparation or measurement?
  3. Table 1.2 lists 3 low-damping materials important for magnonics. How in this scheme are placed other low-damping materials, especially CoFe and Heusler alloys? Please also describe them in terms of fabrication possibilites and stability as it was done for other materials at the end of Section 1.5.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová