Characterisation of magnonic Fabry–Pérot resonators with thin ferromagnetic layers

Abstract

Magnonic computing has shown serious promise as a future data processing technology due to its energy efficiency and broad frequency range. Today's integrated circuits are based on complementary metal-oxide-semiconductor (CMOS) transistors, where information is processed and stored as electric charge and its movements. In magnonic circuits, the information is encoded in the amplitude or phase of spin waves. Spin waves are magnetic excitations of the spins of electrons, which propagate through magnetic films. Potential applications for spin-wave based devices include neuromorphic computing and artificial neural networks. An exciting innovation in this field is the magnonic Fabry-Pérot resonator, allowing for control over spin-wave amplitude and phase by utilising dynamic dipolar coupling. The resonator, along with use of electric current, could be potentially used to amplify spin waves and extend their short propagation lengths, addressing one of the main challenges with this technology.

This thesis characterises how the physical dimensions of the magnonic Fabry-Pérot resonator affect spin-wave propagation. Yttrium Iron Garnet (YIG) serves as the low-loss magnetic medium, while the resonator is implemented by patterning a thin ferromagnetic stipe of Cobalt Iron Boron (CoFeB) on top. Multiple resonators with varying thicknesses and widths were created by using a fabrication process described in this thesis. The quality of the deposited YIG film was validated with ferromagnetic resonance spectroscopy and the resonator characterisation measurements were conducted with broadband spectroscopy while simultaneously sweeping an external magnetic field across the sample. The results show that the thickness and width of the resonator strongly affect spin-wave transmission. Transmission gaps at discrete frequencies arising from destructive interference are clearly visible for thicker and wider resonators, while thinner and narrower resonators produce no interference effects, reproducing the results of previous studies. These transmission gaps stop appearing when the thickness of the resonator is reduced to 10 nanometres or less.

Magnoninen laskenta on osoittautunut potentiaaliseksi tulevaisuuden tiedonprosessointiteknologiaksi sen energiatehokkuuden ja laajan taajuusalueen johdosta. Nykypäivän mikropiirit perustuvat komplementaarisiin metallioksidipuolijohde- eli CMOS-transistoreihin, joissa tietoa prosessoidaan ja tallennetaan sähkövarausten ja niiden liikkeiden avulla. Magnonisissa piireissä tieto on paketoitu spiniaaltojen amplitudiin tai vaiheeseen. Spiniaallot ovat magneettisia häiriötä, joissa elektronin spinin viritys kulkeutuu magneettisen väliaineen läpi. Spiniaaltoihin perustuvien laitteiden potentiaalisiin sovelluksiin lukeutuvat muun muassa neuromorfinen laskenta ja keinotekoiset hermoverkostot. Lupaava innovaatio tällä alalla on magnoninen Fabry-Pérot-resonaattori, jonka avulla voidaan hallita spiniaaltojen amplitudia ja vaihetta hyödyntäen dynaamista dipoli-dipoli-vuorovaikutusta. Resonaattorin ja sähkövirran käytön avulla voisi mahdollisesti vahvistaa spiniaaltoja ja pidentää niiden lyhyttä kulkeutumismatkaa, mikä on yksi olennainen haaste tämän teknologian saralla.

Tämä työ karakterisoi miten magnonisen Fabry-Pérot-resonaattorin fyysiset mitat vaikuttavat spiniaaltojen kulkeutumiseen. Yttriumrautagranaatti (YIG) toimii vähähäviöisenä magneettisena väliaineena, samalla kun resonaattori valmistetaan kuvioimalla ferromagneettinen ohutkalvo kobalttirautabooria (CoFeB) sen pinnalle. Useita eri paksuisia ja levyisiä resonaattoreita luotiin työssä kuvatulla valmistusmenetelmällä. Kerrostetun YIG:n laatu varmistettiin ferromagneettisen resonanssispektroskopian avulla, ja resonaattoreiden karakterisointi suoritettiin laajakaistaspektroskopialla samalla kun ulkoista magneettikenttää pyyhkäistiin näytteen yli. Tulokset osoittavat että resonaattorin paksuus ja leveys vaikuttavat voimakkaasti spiniaaltojen kulkeutumiseen. Destruktiivisesta interferenssistä johtuvat siirtokatkokset diskreeteillä taajuuksilla ovat selkeästi nähtävissä paksummilla ja leveämmillä resonaattoreilla, kun taas ohuemmat ja kapeammat resonaattorit eivät tuota interferenssiefektejä lainkaan. Tämä havainto jäljentää aiempien tutkimusten tuloksia. Siirtokatkokset häviävät, kun resonaattorin paksuutta pienennetään 10 nanometriin tai sen alle.