bakalářská práce

Kontrolovaná excitace magnonů prostřednictvím opticky indukovaných Mie rezonancí v periodických dielektrických nanostrukturách

Text práce 13.21 MB

Autor práce: Bc. Jakub Krčma

Ak. rok: 2023/2024

Vedoucí: Ing. Jakub Holobrádek

Oponent: Ing. Filip Ligmajer, Ph.D.

Abstrakt:

Magnonika je vědní disciplína zabývající se manipulací a šířením kolektivních magnetických oscilací nazývaných spinové vlny a jejich kvazičásticemi magnony. Hlavní potenciál zařízení využívajících spinových vln je v oblasti informačních technologií, a to díky nízké energetické náročnosti a vysokým operačním frekvencím. Pro miniaturizaci těchto magnonických zařízení a dosažení vysoké energetické úspornosti je potřeba přejít ke spinovým vlnám s krátkými vlnovými délkami. Jediná experimentální technika umožňující přímé měření a zobrazování takovýchto spinových vln je rentgenová mikroskopie. Ta ovšem vyžaduje synchrotronové záření, což z ní dělá metodu časově I finančně náročnou. Hledají se proto způsoby, jak rozšířit běžně využívanou a jednodušeji dostupnou metodu spektroskopie a mikroskopie Brillouinova rozptylu světla o detekci magnonů s vysokými vlnovými čísly. V posledních letech jsme předvedli, že pomocí Mieho rezonancí vybuzených v dielektrických strukturách jsme schopni této rozšířené detekce dosáhnout. Tato metoda však stále nedisponuje rozlišením vlnových čísel. V této práci jsme ukázali, že zavedením periodičnosti do těchto dielektrických struktur dokážeme nejen měřit magnony s vlnovými čísly až 157 rad/µm (odpovídá vlnové délce 40 nm), ale zároveň dosáhnout rozlišení vlnových vektorů. To přesahuje možnosti stávajících charakterizačních technik a otevírá nové možnosti například při studiu nelineárních jevů nebo zařízení na bázi skyrmionů.

Klíčová slova:

magnonika, spinové vlny, Brillouinův rozptyl světla, Mieho rezonance, fotonický krystal, FDTD

Termín obhajoby

14.06.2024

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Student na otázky odpověděl.

Jazyk práce

čeština

Fakulta

Ústav

Studijní program

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (B-FIN-P)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Jakub Holobrádek

Student Jakub Krčma v rámci své bakalářské práce Kontrolovaná excitace magnonů prostřednictvím opticky indukovaných Mieho rezonancí v periodických dielektrických nanostrukturách vypracoval kvalitní rešeršní studii zaměřenou na Brillouinův rozptyl světla (BLS) zesílený blízkým polem a měření spinových vln o krátkých vlnových délkách. Poznatky z této rešerše následně umně využívá v experimentální části, kde na základě rozsáhlých numerických výpočtů navrhuje a elektronovou litografií vyrábí vzorek s periodickými nanorezonátory vhodný pro pozorování spinových vln se specifickými vlnovými vektory. Ty následně metodou BLS i měří, analyzuje a interpretuje získaná data. Rád bych vypíchnul širokou škálu výpočetních, nanofabrikačních i měřících metod, kterou si Jakub osvojil, a při vypracovávání bakalářské práce úspěšně využil. K některým z nich měl pozitivnější vztah než k jiným, což je ale zcela pochopitelné a nikterak to neovlivnilo úspěšné naplnění cílů práce. Dále bych rád vyzvedl Kubovu samostatnost, pracovitost, tah na branku a nespokojenost s polovičatými řešeními. V neposlední řadě mají výsledky práce vysoký publikační potenciál a významně posunují poznání v oblasti magnoniky. Práci s nadšením doporučuji k obhajobě a hodnotím ji stupněm A – výborně.
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

Bakalářská práce Jakuba Krčmy se zabývá Brillouinovým rozptylem světla na spinových vlnách (magnonech) jejichž vlnové délky jsou významně kratší než vlnová délka použitého světla. Takové magnony není možné detekovat rozptylem přímo na plošných magnetických vrstvách, ale je třeba lokalizovat příslušné dopadající elektromagnetické pole pod difrakční limit za pomoci vhodných nanostruktur. Tato práce rozšiřuje portfolio takto využitelných nanostruktur směrem k periodicky uspořádaným mřížkám tvořeným kvádry z amorfního křemíku na povrchu magnetické vrstvy. Navazuje tak na předchozí publikace z ÚFI FSI VUT v Brně, kterých byl Jakub Krčma spoluautorem.

Práce je logicky uspořádána, má dobrou jazykovou i grafickou úroveň. V některých místech by práci prospěl detailnější komentář jednotlivých myšlenkových postupů a těsnější propojení se souvisejícími zjištěními popsanými v literatuře. Např. v úvodu kap. 4 se začíná mluvit o "rozlišení vlnových čísel" za pomoci "periodických rezonátorů", ale k tomu na předchozích stranách chybí jakákoliv diskuze/příprava ve smyslu, jak periodická pole mohou pomoci k rozlišení vlnočtu. Není také diskutován mechanismus silné a slabé interakce mezi rezonátory. Všem čtenářům také nemusí být zřejmé, jak se směrovou senzitivitou souvisí fakt, že pro rozměry kvádrů platí "a << b", resp. jaká je
vůbec motivace pro takovou směrovou senzitivitu. V práci také chybí rozsáhlejší kvantitativní
porovnání limitů rozlišení rentgenové mikroskopie s BLS a mikro-BLS. To není diskutováno nikde v
hlavním v textu a je pouze naznačeno v Obr. 4.13. Obecně by pak práci prospěla rozsáhlejší diskuze
výsledků ukázaných v Obr. 4.13-4.15 v kontextu předchozích prací autorovy skupiny ([15], [16]), příp.
také prací ostatních autorů.
Přes tyto drobné nedostatky je třeba zdůraznit, že jde o kvalitní, vysoce nadprůměrnou bakalářskou
práci. Za vyzdvihnutí stojí široký záběr autora, který dané téma pokryl od teoretických výpočtů, přes
výrobu nanostruktur, až po samotné měření Brillouinova rozptylu. Dle mého názoru tvoří výsledky
této práce dobrý základ pro případnou vědeckou publikaci a tuto práci tedy lze bez problémů
doporučit k obhajobě s návrhem hodnotit ji klasifikačním stupněm "A - výborně".
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 B
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. Dle grafu v Obr 4.13 odpovídala nejvyšší detekovaná vlnová čísla magnonů vlnovým délkám mezi 40 a 50 nm. El. pole s takto vysokými vlnovými čísly má ale dle simulací velmi nízkou intenzitu a dalo by se tedy očekávat, že i BLS signál bude velmi nízký, resp. s vysokým šumem. Obr. 4.14 taktéž ukazuje výrazný pokles intenzity s vyššími násobky pi/a. Jak tedy vypadala surová BLS spektra, ve kterých bylo možné detekovat takto vysoká vlnová čísla? Byla detekce těchto magnonů dostatečně jasná, mimo úroveň šumu?
  2. Fungoval by fokusovaný Brillouinův rozptyl světla (mikro-BLS) s imerzním objektivem? Pokud ano, platilo by stále tvrzení z části 2.3, že mikro-BLS má omezený detekční rozsah vlnových čísel magnonů oproti konvenčnímu BLS?
  3. Jaké mohou být důvody toho, proč se liší odhad maximální velikosti detekovaného vlnového vektoru z experimentálně naměřené stopy svazku oproti teoretickému limitu vycházejícímu z vlnové délky použitého osvitu a numerické apertury objektivu (viz část 2.2)?

Známka navržená oponentem: A

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová