Optimization of Multi-Frequency Magnonic Waveguides with Enhanced Group Velocities by Exchange Coupled Ferrimagnet/Ferromagnet Bilayers

We report broadband spectroscopy and numerical analysis by which we explore propagating spin waves in a magnetic bilayer consisting of a 23 nm thick permalloy film deposited on 130 nm thick $Y_{3}Fe_{5}O_{12}$. In the bilayer, we observe a characteristic mode that exhibits a considerably larger group velocity at small in-plane magnetic field than both the magnetostatic and perpendicular standing spin waves. Using the finite element method, we confirm the observations by simulating the mode profiles and dispersion relations. They illustrate the hybridization of spin wave modes due to exchange coupling at the interface. The high-speed propagating mode found in the bilayer can be utilized to configure multi-frequency spin wave channels enhancing the performance of spin wave based logic devices

Particular Properties of Spin Waves in Magnonic Crystals: Negative Refractive Index, Nonreciprocity and Damping

Wydział FizykiW pracy doktorskiej prezentuję rezultaty badań prowadzonych nad właściwościami fal spinowych występujących w periodycznych strukturach ferromagnetycznych (np. jednowymiarowych kryształach magnonicznych). Nacisk pracy był skierowany na rozwijanie metod numerycznych oraz analizę właściwości fal spinowych, które maja wpływ na funkcjonalność potencjalnych urządzeń. W badaniach właściwości można wyróżnić trzy tematy które zostały zaprezentowane w pracy: i) wpływ tłumienia na formowanie się fal stojących w kryształach magnonicznych, ii) meta-materiałowe własności dla fal elektromagnetycznych rozchodzących się poprzez kryształ magnoniczny oraz iii) zjawisko nieodwracalnej dyspersji fal spinowych. W szczególności przedstawiona została analiza wpływu współczynnika tłumienia na widmo rezonansu ferromagnetycznego, wpływ nakładki metalicznej na indukowanie tłumienia oraz wpływ parametrów materiałowych kryształu magnonicznego na funkcja przenikalności magnetycznej metamateriału składającego się z tego kryształu. Zaprezentowana została również dokładna analiza własności złamania symetrii w relacji dyspersji fal spinowych propagujących się w warstwach 0ferromagnetycznych w kontakcie z warstwa metaliczna. Obliczenia numeryczne zostały porównane z wynikami pomiarów i uzyskano bardzo dobra zgodność.In this PhD thesis I am presenting the results of investigation on spin wave properties in periodic ferromagnetic structures (e.g., one-dimensional magnonic crystals). The main attention of research was put on development of numerical methods and analysis of spin waves properties that are important for designing a functional device. There were studied three subsubjects of spin waves properties that can be differentiated: i) influence of damping on standing spin wave formation ii) metamaterial properties for electromagnetic waves propagating through magnonic crystal and iii) nonreciprocal dispersion of spin waves. In particular it was shown the analysis of the influence of the damping factor on the spectrum of ferromagnetic resonance, the influence of metallic overlayer on the damping, influence of structural parameters of magnonic crystals on the magnetic permeability function of metamaterial based on the crystal. It was also presented a detailed analysis of symmetry breaking of the dispersion relation of spin waves propagation in the ferromagnetic films in contact with metal. The numerical calculation were confronted with measured data and agreement between them was shown