SOL RF physics modelling in Europe, in support of ICRF experiments

A European project was undertaken to improve the available SOL ICRF physics simulation tools and confront them with measurements. This paper first reviews code upgrades within the project. Using the multi-physics finite element solver COMSOL, the SSWICH code couples RF full-wave propagation with DC plasma biasing over “antenna-scale” 2D (toroidal/radial) domains, via non-linear RF and DC sheath boundary conditions (SBCs) applied at shaped plasma-facing boundaries. For the different modules and associated SBCs, more elaborate basic research in RF-sheath physics, SOL turbulent transport and applied mathematics, generally over smaller spatial scales, guides code improvement. The available simulation tools were applied to interpret experimental observations on various tokamaks. We focus on robust qualitative results common to several devices: the spatial distribution of RF-induced DC bias; left-right asymmetries over strap power unbalance; parametric dependence and antenna electrical tuning; DC SOL biasing far from the antennas, and RF-induced density modifications. From these results we try to identify the relevant physical ingredients necessary to reproduce the measurements, e.g. accurate radiated field maps from 3D antenna codes, spatial proximity effects from wave evanescence in the near RF field, or DC current transport. Pending issues towards quantitative predictions are also outlined

Design, Concepts and Applications of Electromagnetic Metasurfaces

The paper overviews our recent work on the synthesis of metasurfaces and related concepts and applications. The synthesis is based on generalized sheet transition conditions (GSTCs) with a bianisotropic surface susceptibility tensor model of the metasurface structure. We first place metasurfaces in a proper historical context and describe the GSTC technique with some fundamental susceptibility tensor considerations. Upon this basis, we next provide an in-depth development of our susceptibility-GSTC synthesis technique. Finally, we present five recent metasurface concepts and applications, which cover the topics of birefringent transformations, bianisotropic refraction, light emission enhancement, remote spatial processing and nonlinear second-harmonic generation

Plasma Dynamics

Contains reports on three research projects.United States Atomic Energy Commission (Contract AT(30-1)-1842)United States Air Force, Air Force Cambridge Research Center, Air Research and Development Command (Contract AF19(604)-5992)National Science Foundation (Grant G-9330)Flight Accessories Laboratory, Wright-Patterson Air Force Base (WADD Contract AF33(616)-3984

Spin waves in curved magnetic shells

This thesis aims to theoretically explore the geometrical effects on spin waves, the fundamental low-energy excitations of ferromagnets, propagating in curved magnetic shells. Supported by an efficient numerical technique developed for this thesis, several aspects of curvilinear spin-wave dynamics involving magnetic pseudo-charges, the topology of curved magnets, symmetry-breaking effects, and dynamics of spin textures are studied. In recent years, geometrical and curvature effects on mesoscale ferromagnets have attracted the attention of fundamental and applied research. Exciting curvature-induced phenomena include chiral symmetry breaking, the stabilization of magnetic skyrmions on Gaussian bumps, or topologically induced domain walls in Möbius ribbons. Spin waves in vortex-state magnetic nanotubes exhibit a curvature-induced dispersion asymmetry due to geometric contributions to the magnetic volume pseudo-charges. However, previous theoretical studies were limited to simple and thin curved shells due to the complexity of analytical models and the time-consuming nature of existing numerical techniques. For a systematic study of spin-wave propagation in curved shells, the first of five thematic parts of this thesis deals with developing a numerical method to calculate spin-wave spectra in waveguides with arbitrarily shaped cross-sections efficiently. For this, a finite-element/boundary-element method to calculate dynamic dipolar fields, the Fredkin-Koehler method, was extended for propagating waves. The technique is implemented in the micromagnetic modeling package TetraX developed and made available as open source to the scientific community. Equipped with this method, the second part of the thesis studies the influence of geometric contributions to the magnetic charges leading to nonlocal chiral symmetry breaking. Introducing the toroidal moment to spin-wave dynamics allows us to predict whether this symmetry breaking is present even in complicated systems with spatially inhomogeneous equilibria or shells with gradient curvatures. The theoretical study of curvilinear magnetism is extended to thick shells, uncovering a curvature-induced nonreciprocity in the spatial mode profiles of the spin waves. Consequently, nonreciprocal dipole-dipole hybridization between different modes leads to asymmetric level gaps enabling spin-wave diode behavior. Besides unidirectional transport, curvature modifies the weakly nonlinear spin-wave interactions. The third part of this thesis focuses on topological effects. A topological Berry phase of spin waves in helical-state nanotubes is studied and connected to a local curvature-induced chiral interaction of exchange origin. The topology of more complicated systems, such as magnetic Möbius ribbons, is shown to impose selection rules on the spectrum of possible spin waves and split it into modes with half and full-integer indices. To understand the effects of achiral symmetry breaking, the fourth part of this thesis focuses on the deformation of symmetric shells, here, cylindrical nanotubes, to polygonal and elliptical shapes. Lowering rotational symmetry leads to splitting spin-wave dispersions into singlet and doublets branches, which is explained using a simple group theory approach and is analogous to the electron band structure in crystals. Apart from mode splitting, this symmetry breaking allows hybridization between different spin-wave modes and modifies their microwave absorption. While this hybridization appears discretely in polygonal tubes, tuning the eccentricity of elliptical tubes allows controlling the level gaps appearing from hybridization. Finally, the last part focuses on the dynamics of spin waves in the vicinity of spin textures in curvilinear systems. The dynamics of topological meron strings are shown to exhibit dipole-induced chiral symmetry breaking like spin waves in curved shells. Moreover, modulational instability is predicted from the softening of their gyrotropic modes, similar to the formation of stripe domains in flat systems. This stripe domain formation can also be observed in curved shells but leads to tilted or helix domains. Overall, this thesis contributes to the fundamental understanding of spin-wave dynamics on the mesoscale but also advertises these for possible magnonic applications.:Abstract Acknowledgements Contents 1 Introduction Theoretical Foundations 2 Micromagnetic continuum theory 3 Spin waves Numerical methods in micromagnetism 4 Overview 5 Finite-element dynamic-matrix method for propagating spin waves 6 Numerical reverse-engineering of spin-wave dispersions 7 TetraX: A micromagnetic modeling package Aspects of curvilinear magnetization dynamics 8 Magnetic charges 9 Topology 10 Achiral symmetry breaking 11 Spin textures Closing remarks 12 Summary and outlook 13 Publications and conference contributions Appendix A Extended derivations and proofs B Supplementary data and discussion List of Figures List of Tables Bibliography Alphabetical IndexZiel dieser Arbeit ist es, die geometrischen Effekte auf Spinwellen (Magnonen), die fundamentalen niederenergetischen Anregungen von Ferromagneten, die sich in gekrümmten magnetischen Schalen ausbreiten, theoretisch zu untersuchen. Unterstützt durch ein effizientes numerisches Verfahren, das für diese Arbeit entwickelt wurde, werden verschiedene Aspekte der krummlinigen Spinwellen-Dynamik untersucht: magnetische Pseudoladungen, die Topologie gekrümmter Magnete, Symmetriebrechungseffekte und die Dynamik von Spin-Texturen. In den letzten Jahren haben Geometrie- und Krümmungseffekte auf mesoskaligen Ferromagneten die Aufmerksamkeit der Grundlagen- und angewandten Forschung auf sich gezogen. Zu den spannenden krümmungsinduzierten Phänomenen gehören chirale Symmetriebrechung, die Stabilisierung magnetischer Skyrmionen auf Gaußschen Unebenheiten oder topologisch induzierte Domänenwände in Möbiusbändern. Spinwellen in magnetischen Nanoröhren im Vortex-Zustand zeigen eine krümmungsinduzierte Dispersionsasymmetrie aufgrund geometrischer Beiträge zu den magnetischen Volumen-Pseudoladungen. Bisherige theoretische Studien beschränkten sich jedoch auf einfache und dünne gekrümmte Schalen, da die analytischen Modelle zu komplex und die bestehenden numerischen Verfahren zu zeitaufwändig waren. Für eine systematische Untersuchung der Spinwellenausbreitung in gekrümmten Schalen befasst sich der erste von fünf thematischen Teilen dieser Arbeit mit der Entwicklung einer numerischen Methode zur effizienten Berechnung von Spinwellenspektren in Wellenleitern mit beliebig geformten Querschnitten. Dazu wurde eine Finite-Elemente/Grenzelement-Methode zur Berechnung dynamischer Dipolfelder, die Fredkin-Köhler-Methode, für propagierende Wellen erweitert. Die Technik ist in dem mikromagnetischen Modellierungspaket TetraX implementiert, das während dieser Arbeit entwickelt und der wissenschaftlichen Gemeinschaft als Open Source zur Verfügung gestellt wurde. Ausgestattet mit dieser Methode untersucht der zweite Teil der Arbeit den Einfluss von geometrischen Beiträgen zu den magnetischen Ladungen, die zu nichtlokaler chiraler Symmetriebrechung führen. Durch die Einführung des toroidalen Moments in die Spin-Wellen-Dynamik lässt sich vorhersagen, ob diese Symmetriebrechung auch in komplizierten Systemen mit räumlich inhomogenen Gleichgewichtszuständen oder magnetischen Schalen mit Gradientenkrümmungen vorhanden ist. Die theoretische Untersuchung des krummlinigen Magnetismus wird auf dicke Schalen ausgedehnt, für die eine krümmungsbedingte Nichtreziprozität in den räumlichen Modenprofilen der Spinwellen gefunden wird. Als Konsequenz führt nicht-reziproke Dipol-Dipol-Hybridisierung zwischen verschiedenen Moden zu asymmetrischen Niveaulücken, die die Konstruktion von Spinwellen-Dioden ermöglichen. Neben unidirektionalem Transport modifiziert die Krümmung auch die schwach nichtlinearen Spin-Wellen-Wechselwirkungen. Der dritte Teil dieser Arbeit befasst sich mit topologischen Effekten. So wird eine topologische Berry-Phase von Spinwellen in Nanoröhren im Helix-Zustand untersucht, die mit einer lokalen krümmungsinduzierten chiralen Wechselwirkung in Verbindung gebracht wird. Es wird gezeigt, dass die Topologie komplizierterer Systeme, wie z.B. magnetischer Möbiusbänder, dem Spektrum möglicher Spinwellen Auswahlsregeln auferlegt, das damit in Moden mit halb- und ganzzahligen Indizes aufspaltet. Um die Auswirkungen der achiralen Symmetriebrechung zu verstehen, konzentriert sich der vierte Teil dieser Arbeit auf die Verformung symmetrischer Schalen, hier zylindrischer Nanoröhren, zu polygonalen und elliptischen Formen. Die Verringerung der Rotationssymmetrie führt zu einer Aufspaltung der Spin-Wellen-Dispersionen in Singlets Dublets, was mit einem einfachen gruppentheoretischen Ansatz erklärt wird und analog zur Elektronenbandstruktur in Kristallen ist. Abgesehen von der Modenaufspaltung ermöglicht diese Symmetriebrechung eine Hybridisierung zwischen verschiedenen Spin-Wellen-Moden und verändert zudem deren Mikrowellenabsorption. Während diese Hybridisierung in polygonalen Röhren diskret auftritt, kann die Exzentrizität elliptischer Röhren genutzt werden um die durch Hybridisierung entstehenden Niveaulücken kontinuierlich einzustellen. Schließlich konzentriert sich der letzte Teil auf die Dynamik von Spinwellen in der Umgebung von Spinstrukturen in krummlinigen Systemen. Es wird gezeigt, dass die Dynamik topologischer Meron-Strings dipol-induzierte chirale Symmetriebrechungen wie Spinwellen in gekrümmten Schalen aufweist. Darüber hinaus wird eine Instabilität der gyrotropen Mode vorhergesagt, ähnlich der Bildung von Streifendomänen in flachen Systemen. Diese Bildung von Streifendomänen kann auch in gekrümmten Schalen beobachtet werden, führt aber zu gekippten oder spiralförmigen Domänen. Insgesamt trägt diese Arbeit zum grundlegenden Verständnis der Spinnwellen-Dynamik auf der Mesoskala bei, aber diskutiert auch mögliche magnonische Anwendungen.:Abstract Acknowledgements Contents 1 Introduction Theoretical Foundations 2 Micromagnetic continuum theory 3 Spin waves Numerical methods in micromagnetism 4 Overview 5 Finite-element dynamic-matrix method for propagating spin waves 6 Numerical reverse-engineering of spin-wave dispersions 7 TetraX: A micromagnetic modeling package Aspects of curvilinear magnetization dynamics 8 Magnetic charges 9 Topology 10 Achiral symmetry breaking 11 Spin textures Closing remarks 12 Summary and outlook 13 Publications and conference contributions Appendix A Extended derivations and proofs B Supplementary data and discussion List of Figures List of Tables Bibliography Alphabetical Inde

Synthesis and Applications of Electromagnetic Metasurfaces

RÉSUMÉ Les métasurfaces électromagnétiques sont des structures bidimensionnelles d’épaisseur fine par rapport à la longueur d’onde d’opération. Elles sont utilisées pour contrôler la diffusion d’ondes électromagnétiques. De telles structures sont conventionnellement composées d’un arrangement périodique de particules diffusantes, de taille plus petite que la longueur d’onde. Ces particules sont conçues de façon à contrôler l’amplitude, la phase, la polarisation et la direction de propagation des ondes réfléchies et transmises par les métasurfaces, lorsque celles-ci sont illuminées par une onde incidente spécifique. L’idée de contrôler la lumière avec des structures d’épaisseur fine n’est pas nouvelle et existe depuis bien longtemps. Cependant, la compréhension mathématique et physique, ainsi que les capacités technologiques requises pour fabriquer ce genre de structures complexes, particulièrement celles qui réalisent un contrôle avancé du champ électromagnétique, n’ont été essentiellement disponibles que depuis les dix dernières années. En outre, malgré les progrès récents, il y a un manque crucial d’une méthode de synthèse, qui soit à la fois rigoureuse et universelle, et qui permette de traiter n’importe quel type de transformation électromagnétique. Il s’ensuit que l’objectif principal de ce travail est de développer un cadre général de synthèse pour l’implémentation mathématique et pratique de métasurfaces, indépendamment de la transformation électromagnétique prescrite. Cette thèse présente une discussion détaillée de la synthèse mathématique de métasurfaces, qui est basée sur des conditions aux limites rigoureuses s’appliquant à des interfaces d’épaisseur nulle. La procédure de synthèse est un problème inverse qui fournit les susceptibilités des métasurfaces en fonction des transformations électromagnétiques spécifiées. Dans ce travail, nous considérons le cas général de métasurfaces bianisotropes possédant des termes de susceptibilités à la fois tangentiels et normaux. La procédure de synthèse est alors séparée en plusieurs cas particuliers, avec un ordre croissant de complexité, qui sont chacun traités de manière individuelle. En plus de cela, la méthode de synthèse a également été étendue afin de prendre en compte le cas de susceptibilités monoisotrope non-linéaire de second ordre. La synthèse mathématique de métasurfaces est illustrée de manière théorique et numérique avec plusieurs exemples qui incluent notamment le design de rotateurs de polarisation réciproques et non-réciproques, ainsi que des transformateurs d’ondes multiples. Une discussion détaillée sur la théorie fondamentale des métasurfaces réfractives est également proposée. Elle décrit différentes configurations de susceptibilités qui permettent de réaliser une transformation réfractive.----------ABSTRACT An electromagnetic metasurface is a two-dimensional structure that is thin with respect to the considered wavelength of operation and that may be used to control the scattering of electromagnetic waves. Such a structure is conventionally composed of a periodic arrangement of engineered subwavelength scattering particles that enables one to control the amplitude, phase, polarization and direction of propagation of the fields reflected and transmitted by the metasurface, when the latter is illuminated by a specific incident field. While the idea of controlling light with thin surfaces has been around for a very long time, the mathematical and physical understanding as well as the technical capabilities required to realize such complex structures, especially the ones that perform advanced control of the fields, have only been available since the last decade. However, there has been a crucial lack of a rigorous and universal synthesis technique that would apply to any field specification. It follows that the main objective of this work is to provide a general synthesis framework for the mathematical and practical implementation of metasurfaces, irrespectively of the prescribed electromagnetic transformations. The thesis presents an in-depth discussion on the mathematical synthesis of metasurfaces that is based on rigorous zero-thickness sheet transition conditions. The synthesis procedure is an inverse problem that yields the metasurfaces susceptibilities in terms of the fields corresponding to the specified electromagnetic transformations. We are considering the very general case of fully bianisotropic metasurfaces with both tangential and normal susceptibility components. The synthesis procedure is then split into different particular cases, with increasing order of complexity, that are individually addressed. Additionally, the synthesis technique is also extended so as to include the case of monoisotropic second-order nonlinear susceptibilities. The mathematical synthesis of metasurfaces is theoretically and numerically illustrated with several examples, which notably include the design of reciprocal and nonreciprocal polarization rotators and multiple wave transformers. A detailed discussion on the fundamental theory of refractive metasurfaces is proposed and which describes various susceptibility configurations that allow one to achieve wave refraction. For each of these configurations, the power conversion efficiency between the incident and refracted wave is also analyzed from a mathematical and physical perspective. Following the mathematical developments of the synthesis, the practical realization of metasurfaces is then addressed