Master's Thesis

Wireless spin wave excitation and detection using nanoscale superconducting transducers

Final Thesis 3.71 MB

Author of thesis: Bc. Ekaterina Pribytova

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewer: Prof. Alejandro Vladimiro Silhanek

Abstract:

With the growing interest in energy-efficient and cryogenic information technologies, hybrid systems combining superconductors and ferromagnets have attracted increasing attention. In such structures, the superconducting transition modifies the electromagnetic environment of the adjacent magnetic layer, offering the possibility to tune spin-wave excitation and propagation by crossing the critical temperature. This thesis investigates spin-wave generation in ferromagnetic films patterned with superconducting nanowires, which act as localized microwave antennas. Measurements were performed over a broad temperature range, enabling direct comparison between the normal conducting and superconducting states within the same sample geometry. The experimental results are supported by a theoretical description based on numerical solutions of the London equations and established models of spin-wave excitation efficiency. The study demonstrates how superconductivity influences the microwave magnetic field distribution and thereby affects spin-wave excitation in superconductor/ferromagnet heterostructures.

Keywords:

Magnonics, superconductivity, antennas, London equation, excitation efficiency, VNA

Date of defence

16.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Způsob chlazení na teplotu 4 K. Numerické řešení Landauovy-Lifšicovy rovnice. Studentka na otázky odpověděla.

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. 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. Michal Urbánek, Ph.D.

Diplomová práce paní Ekateriny Pribytové se zabývá experimentálním i teoretickým studiem buzení a detekce spinových vln ve feromagnetické vrstvě permalloye kombinované s polem supravodivých niobových nanoantén a porovnáním chování systému v supravodivém a v normálním vodivém stavu. Tohoto mimořádně náročného interdisciplinárního tématu na pomezí magnoniky a fyziky supravodičů se diplomantka zhostila se ctí: zvládla rozsáhlý teoretický popis supravodivosti a magnetismu, vypracovala vlastní numerické řešení Londonovy rovnice i originální samokonzistentní model zpětné vazby od rozptylového pole spinových vln a provedla náročná nízkoteplotní mikrovlnná měření ve dvou experimentálních geometriích a při třech teplotách. Zvláště si cením její vědecké poctivosti – promyšleným srovnáním měření při 4 K a 10 K prokázala, že pozorovaná redukce efektivní magnetické tloušťky vrstvy není způsobena supravodivostí, čímž vyvrátila zjednodušený výklad z literatury. Mimořádné schopnosti a samostatnost diplomantky dokládá i spoluautorství čtyř odborných článků, zahraniční stáže a aktivní účast na mezinárodních konferencích. S potěšením konstatuji, že všechny cíle diplomové práce byly splněny, diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A.
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

The master's thesis titled "Wireless Spin Wave Excitation and Detection Using Nanoscale Superconducting Transducers" by Bc. Ekaterina Pribytova examines spin-wave generation in Py ferromagnetic films patterned with superconducting Nb nanowires functioning as a localized microwave grating.

The main finding is a reduction of the effective film thickness at low temperature, which is, however, not trivially linked to the superconducting transition. This effect is interpreted in terms of stray-field effects originating from the superconducting nanowire arrays, although this hypothesis does not permit a fully quantitative picture of the mechanisms at play.

This timely research explores the dynamic interaction between superconductivity and ferromagnetism, which holds significant interest for the scientific community due to its potential applications in cryogenic information technologies. The thesis constitutes an extensive and detailed body of work, combining experimental measurements with numerical calculations. A more pedagogical presentation could enhance clarity without compromising the technical depth. While the overall conclusions are not definitive, the work provides a solid foundation for future improvements to the model. It is advisable to explicitly state that the Ginzburg-Landau (GL) model is strictly valid only near the critical temperature. The structure of the thesis is appropriate, and the references are comprehensive. Note that there is a repeated paragraph in the conclusion; including a discussion of future perspectives would strengthen this section.
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 B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Topics for thesis defence:
  1. 1) The details of how the sample was fabricated are not fully specified. Is the process lift-off or etching? What is the critical temperature of the Nb strips after microfabrication? Is the silicon substrate high-resistivity? What are the skin depths of Nb and Py at these frequencies? What is the residual resistivity ratio of the patterned Nb? Depending on the quality of the patterned Nb and its superconducting gap, what is the maximum frequency at which the superconducting state persists? This information could be included in the manuscript.
  2. 2) It appears that the stripes are assumed to be in the Meissner state. However, this depends on the superconductor’s penetration field, flux-focusing effects, demagnetization factors, and the RF field amplitude. Estimating these parameters is crucial to correctly identifying the superconducting regime.

Grade proposed by reviewer: B

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová