Master's Thesis

Nonlinear spin-wave phenomena under parametric pumping

Final Thesis 2.66 MB

Author of thesis: Ing. Dominik Pavelka

Acad. year: 2024/2025

Supervisor: Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Juraj Feilhauer, PhD.

Abstract:

Spin waves (SWs) are a promising information carriers for future computing platforms as they propagate with minimal energy loss. However, efficient excitation and detection of SWs at the nanoscale wavelengths is essential for applications. Conventional linear excitation of such SWs using an RF antenna is impractical because the antenna's dimensions must be comparable to the SW wavelength. Parametric pumping enables the excitation of SWs at the nanoscale using a spatially unconstrained antenna by exciting two counter-propagating SWs at half the pumping frequency. This nonlinear process also facilitates unconventional SW interactions, relevant for e.g. neuromorphic computing. For studying nanoscale SWs, Scanning Transmission X-ray Microscopy is a great tool as it provides a~resolution of tens of nanometers. However, its pump-probe nature is limiting when the SW frequency is not exactly half the pumping frequency as in the non-adiabatic parametric pumping regime (using a finite width excitation antenna). Micro-focused Brillouin Light Scattering microscopy allows for broadband frequency detection, overcoming this constraint, and combined with Mie resonance, allows a detection of nanoscale SWs. Using this technique, we observe and characterize nonlinear SWs resulting from parametric pumping and multi-magnon scattering, offering key insights into the behavior of SWs in the nonlinear regime.

Keywords:

magnonics, spin waves, magnons, nonlinearities, parametric pumping, multi-magnon scatttering, Brillouin Light Scattering, Scanning Transmission X-ray Microscopy

Date of defence

10.06.2025

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Odhad účinnosti generování 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)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, 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. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Dominika Pavelky se zaměřuje na parametrické zesilování spinových vln. Navazuje na předchozí výzkum realizovaný pod jeho vedením a dále jej rozvíjí prostřednictvím využití synchrotronového záření ve skenovací transmisní rentgenové mikroskopii. Práce se rovněž zabývá experimentálním měřením parametricky pumpovaných magnonů pomocí Brillouinova rozptylu světla a přináší nové teoretické vhledy v oblasti lokalizovaného pumpování v tenkých magnetických vrstvách.

Rozsah tohoto projektu vyžadoval, aby student pracoval soustavně po celé magisterské studium. Zvláště si cením jeho úsilí a zaujetí při přípravě vzorků pro několik měření na synchrotronu BESSY. I přes výrazný časový tlak dokázal efektivně naplánovat a zorganizovat proces výroby vzorků a připravit jejich dostatečný počet s požadovanými vlastnostmi pro plánované experimenty. Během práce rovněž významně prohloubil své znalosti o současném výzkumu a teoretických základech nelineárních jevů v oblasti magnoniky.

Rád bych rovněž vyzdvihl vstřícnost pana Pavelky, který ochotně pomáhá ostatním členům výzkumné skupiny, a to i tehdy, když mu tato pomoc nepřináší žádný osobní prospěch. Jeho otevřený a spolupracující přístup vedl mimo jiné ke spoluautorství článku v prestižním recenzovaném časopisu Applied Physics Letters. Jsem přesvědčen, že pan Pavelka bude i nadále cenným a přínosným členem výzkumného týmu.

Kvalita práce byla bohužel výrazně ovlivněna nedostatečným časovým plánováním při psaní textu předkládané diplomové práce. Student zcela nenaplnil svůj potenciál, což se projevilo mimo jiné v nedodržení stanoveného termínu odevzdání a méně podrobné analýze a diskuzi dosažených výsledků. Špatná organizace času může být do budoucna limitujícím faktorem, zejména v kontextu grantových žádostí, kde často není možné termín podání posunout.

Navzdory uvedeným nedostatkům považuji rozsah odvedené práce a úroveň teoretického zpracování za výjimečné. V kontextu standardů diplomových prací na Ústavu fyzikálního inženýrství proto práci doporučuji k obhajobě s celkovým hodnocením „výborně“ (A).
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání B
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod B
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 B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Juraj Feilhauer, PhD.

Hlavnou motiváciou diplomovej práce Bc. Dominika Pavelky s názvom "Nelineární jevy objevující se během parametrického pumpování spinových vln" bolo využitie nelineárneho pumpovania ako zdroj spinových vĺn s krátkymi vlnovými dĺžkami. Tie majú veľký aplikačný potenciál ako nosiče informácii v miniaturizovaných magnonických súčiastkach budúcnosti. Konštatujem, že tri hlavné ciele práce (t.j. popis súčasného stavu poznania, experimenty s STXM a experimenty s BLS) boli v dostatočnej miere splnené.

   Oceňujem, že aj keď jadro výsledkov práce tvoria hlavne merania spinových vĺn, autor venoval značnú pozornosť aj teoretickej časti v snahe motivovať a vysvetliť namerané dáta. V niektorých prípadoch však mohol byť teoretický výklad zrozumiteńejší, k čomu vedú aj moje upresňujúcie otázky. 
Práca je napísaná vcelku slušnou angličtinou, aj keď sa niekedy vyskytnú (v angličtine) neobvyklé slovné spojenia pochádzajúce z rodného jazyka autora.

   Práca Dominika Pavelku spĺňa nároky kladené na diplomovú prácu a tvorí sľubný základ ďaľšej výskumnej činnosti, prípadne ako štartovací bod PhD práce. Práca obsahuje aj nové originálne výsledky, ktoré ak sa podarí interpretovať, môžu tvoriť jadro kvalitnej publikácie v karentovanom časopise.  
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
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 B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti B
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. Z grafu 3.4b vyplýva, že pre veľké hodnoty k, so zväčšujúcsou sa hrúbkou Py narastá aj hodnota kritického poľa h_TH. To je v texte zdôvodnené, ako dôsledok zmenšujúcej sa elipticity. V grafe 3.4c je ukázané, že elipticita klesá s narastajúcou hrúbkou vrstvy. Z definície elipticity z rovnice (2.26) epsilon = (A_k - |B_k|)/(A_k + |B_k|) však vyplýva, že čím je menšia elipticita, tým je väčší parameter B_k, ktorý je podľa (2.24) priamo umerný couplingu V_k. Kritické pole je zase podľa (2.33) nepriamo úmerné V_k. Teda, čím je väčšia hrúbka vrstvy, tým je menšia elipticita epsilon, tým je väčšie B_k a V_k a tým by malo byť menšie kritické pole h_TH, čo je v rozpore s grafom 3.4b. Prečo je to tak?
  2. V meraniach kritických výkonov potrebných na parametrické pumpovanie meraných pomocou BLS s a bez Mie diskov (obr. 4.6) sa ukazuje zaujímavý jav, že kritický výkon je menší s Mie diskami ako bez diskov. Autor predpokladá, že prítomnosť Mie diskov značne rozšíri merateľný interval hodnôt k, teda disky majú vplyv iba na meranie spinových vĺn. Nie je však možné, že prítomnosť Mie diskov ovplyvní aj samotné pumpovanie spinových vĺn? Napríklad zvýšením couplingu V_k, čím by sa znížilo h_TH. Podobne, nemôžu Mie disky zosilňovať aj nelineárne pumpovanie do 3f_p/4 a 5f_p/4, ktoré bolo pozorované iba v prítomnosti Mie diskov (obr 4.5)?
  3. Výsledky meraní v kapitole 4 sa interpretujú s pomocou teoretických pásových štruktúr pre backward volume módy (napr. obr 3.4a). Z toho usudzujem, že autor predpokladá, že spinové vlny sú nelineárne pumpované dominantne do týchto backward volume módov (t.j. vektor k má smer magnetizácie a uhol varphi = 0) a pumpovanie do ostatných módov (DE módov, forward volume módov) je zanedbateľné. V teoretickej časti to však, podľa môjho názoru, nie je úplne jasne zdôvodnené. Vyplynie toto dominantné pumpovanie do backward módov z uhlovej závislosti coupling parametra V_k(varphi)? Inými slovami, má V_k(varphi) maximum pre varphi = 0 ? Poznámka: V rovnici (2.13b) chybne zmizne smer vektora k a v ďalšom texte sa už v indexoch premenných (a_k, b_k, V_k, B_k, ...) používa iba skalárna hodnota k.

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová