diplomová práce

Měření fáze spinových vln pomocí Brillouinova rozptylu světla: vývoj zařízení a jeho aplikace

Text práce 11 MB

Autor práce: Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Ak. rok: 2019/2020

Vedoucí: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Oponent: doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D.

Abstrakt:

Spinové vlny mají potenciál být použity jako nová platforma pro přenos a zpracování dat, protože mohou dosáhnout vlnových délek v rozsahu nanometrů a frekvencí v rozsahu terahertzů. K tomu, aby bylo možné navrhnout zařízení a logické obvody založené na
spinových vlnách, je zapotřebí získat informace o prostorovém rozložení intenzity spinové vlny a pokud je to možné, také o jejich fázi. To lze měřit pomocí fázově rozlišeného fokuso-vaného Brillouinova rozptylu světla (µ -BLS). Předložená práce se zabývá rozšířením stávající optické sestavy o možnost měření fáze, kde doposud bylo možné měřit pouze intenzitu. Toto rozšíření sestavy je důkladně popsáno a charakterizováno. Schopnosti optické sestavy jsou demonstrovány ve studii šíření spinových vln skrz Néelovu doménovou stěnu. Získané 2D mapy intenzity spinových vln ukazují, že propagace přes doménovou stěnu je ovlivněna topologicky vynucenou kruhovou Blochovou čarou ve středu doménové stěny a že režim propagace závisí na frekvenci spinových vln. V prvním režimu propagace se vytvoří dva svazky spinových vlny šířící se kolem kruhové Blochovy čáry, zatímco ve druhém režimu se spinové vlny šíří pouze středem. Fázově rozlišené µ-BLS měření odhaluje fázový po-
sun spinových vln pro oba režimy. Mikromagnetické modelování spinových vln ukazuje rozrušení jejich fázových vlnoploch, které je třeba brát v úvahu při interpretaci měření a navrhování potenciálních zařízení. Mikromagnetické simulace ukazují, že vnější magnetické pole může být použito k pohybu kruhové Blochovy čáry ve stěně domény, a tedy k manipulaci spinových vln.

Klíčová slova:

magnonika, spinové vlny, rozptyl světla, optická sestava, Brillouinův rozptyl světla

Termín obhajoby

13.07.2020

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Stokesův a anti-Stokesův rozptyl na magnonech. Grupová rychlost. Student otázky zodpověděl.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Diplomová práce pana Ondřeje Wojewody se zabývá konstrukcí, ověřením a aplikacemi experimentální sestavy pro měření fáze spinových vln pomocí Brillouinova rozptylu světla. Pan Wojewoda během řešení diplomového projektu odvedl excelentní práci při které nejenže sestavil a otestoval experimentální sestavu, ale rovněž provedl unikátní experimenty s průchodem spinových vln přes doménovou stěnu. Tyto experimenty jsou na špičkové světové úrovni, posouvají současný stav poznání v oblasti magnoniky a jako takové si vysloužily místo na titulní stránce prestižního časopisu Applied Physics Letters. S potěšením konstatuji, že všechny cíle diplomové práce byly splněny nebo dokonce překročeny, diplomovou práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A.
Kritérium hodnocení Známka
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

Známka navržená vedoucím: A

Předkládaná diplomová práce pojednává o Brillouinově rozptylu na magnonech, vývoji aparatury pro měření jejich fáze a její aplikaci na studium rozptylu magnonů na doménové stěně.
    První poměrně rozsáhlá část práce je věnovaná úvodu do magnetismu a spinových vln (1. kapitola) a teorii rozptylu světla zaměřenou na Brillouinův rozptyl (2. kapitola). U těchto kapitol velmi hodnotím šíři a zároveň věcnost s jakou autor k textu přistoupil. Úvod tak představuje velmi relevantní text, který nejen uvozuje později použitou teorii, ale může být cenným přehledovým zdrojem pro studenty navazující na tuto práci.
    Kapitola 3. je věnovaná popisu experimentální aparatury pro měření fázově rozlišeného Brillouinova rozptylu, která byla v rámci diplomové práce sestavena. Jsou zde detailně popsány jednotlivé elementy aparatury, diskutována jejich stabilita nutná pro dlouhá prostorově rozlišená měření, jako např. optimální nastavení Fabry-Perotova interferometru. Funkce této aparatury je ilustrována na měření fáze magnonů v tenké vrstvě ze slitiny permalloy excitované pomocí litograficky připravených antén.
    Nakonec, 4. kapitola je věnovaná novému vědeckému tématu, a to studiu rozptylu magnonů na doménové stěně. Kapitola představuje jednak měření prostorového rozložení amplitudy magnonů buzených na dvou frekvencích, 7.15 GHz a 9.0 GHz, tak měření fáze magnonů při přechodu doménovou stěnou. Měření jsou také doplněna mikromagnetickými simulacemi, které jsou použity k interpretaci výsledků. Jak měření, tak výpočty ukazují, že na frekvenci 7.15 GHz se magnony dělí při průchodu doménovou stěnou okolo Blochovy linie na dvě prostorově separované vlny. Naopak, na frekvenci 9.0 GHz mangon prochází Blochovou linií.
    Celkově tato diplomová práce má velmi vysokou kvalitu. Šíře i hloubka úvodních kapitol ukazuje, že autor má velký přehled a pochopení v oblasti magnoniky a Brillouinova rozptylu. V rámci práce byla vyvinuta aparatura na měření fáze magnonu. Dvě sady měření ukazují, že aparatura je funkční a schopna produkovat vědecká data v kvalitě odpovídající současné světové úrovni. Výsledky z 4. kapitoly jsou také odeslané jako článek k recenznímu řízení do vědeckého časopisu. Text diplomové práce je velmi dobře čitelný a věcný a je navíc v angličtině, což dále zvyšuje jeho hodnotu. Práce cituje velkou řadu současné vědecké literatury.  Celkově práce je na velmi vysoké úrovni, která svou kvalitou odpovídá úrovni kvalitních doktorských prací, proto neváhám hodnotit jak její jednotlivé části, tak i práci celkově, stupněm A.
Kritérium hodnocení Známka
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 A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Otázky k obhajobě:
  1. 1. Při experimentech rozptylu na doménové stěně byla použita frekvence 7.15 GHz, i když maximum amplitudy frekvenčně rozlišeného experimentu z Obr. 4.3(c) je spíše na 7.25 GHz. Prosím diskutujte proč byla zvolená frekvence 7.15 GHz a zda by nebylo lepší použít frekvenci 7.25 GHz.
  2. 2. V práci jsou uvedené poměrně detailní výsledky numerických mikromagnetických simulací ukazující poměrně dobrý souhlas s experimentem na dvou měřených frekvencích 7.15 GHz a 9.0 GHz. Zajímalo by mě ovšem určité kvalitativní vysvětlení, proč se na těchto dvou frekvencích průchod magnonu Blochovou linií tak kvalitativně liší, které by např. umožnovalo kvalitativně předpovědět výsledek experimentu pro jiné frekvence.

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová