41 research outputs found
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
A primer to numerical simulations: The perihelion motion of Mercury
Numerical simulations are playing an increasingly important role in modern
science. In this work it is suggested to use a numerical study of the famous
perihelion motion of the planet Mercury (one of the prime observables
supporting Einsteins General Relativity) as a test case to teach numerical
simulations to high school students. The paper includes details about the
development of the code as well as a discussion of the visualization of the
results. In addition a method is discussed that allows one to estimate the size
of the effect as well as the uncertainty of the approach a priori. At the same
time this enables the students to double check the results found numerically.
The course is structured into a basic block and two further refinements which
aim at more advanced students.Comment: 22 pages, 6 figures, supplementary material available at
https://github.com/ckoerber/perihelion-mercur
Nontrivial Aharonov-Bohm effect and alternating dispersion of magnons in cone-state ferromagnetic rings
Soft magnetic dots in the form of thin rings have unique topological
properties. They can be in a vortex state with no vortex core. Here, we study
the magnon modes of such systems both analytically and numerically. In an
external magnetic field, magnetic rings are characterized by easy-cone
magnetization and shows a giant splitting of doublets for modes with the
opposite value of the azimuthal mode quantum number. The effect of the
splitting can be refereed as a magnon analog of the topology-induced
Aharonov-Bohm effect. For this we develop an analytical theory to describe the
non-monotonic dependence of the mode frequencies on the azimuthal mode number,
influenced by the balance between the local exchange and non-local dipole
interactions.Comment: 8 pages, 3 figure
Pattern recognition with a magnon-scattering reservoir
Magnons are elementary excitations in magnetic materials and undergo
nonlinear multimode scattering processes at large input powers. In experiments
and simulations, we show that the interaction between magnon modes of a
confined magnetic vortex can be harnessed for pattern recognition. We study the
magnetic response to signals comprising sine wave pulses with frequencies
corresponding to radial mode excitations. Three-magnon scattering results in
the excitation of different azimuthal modes, whose amplitudes depend strongly
on the input sequences. We show that recognition rates above 95\% can be
attained for four-symbol sequences using the scattered modes, with strong
performance maintained with the presence of amplitude noise in the inputs
Tailoring crosstalk between localized 1D spin-wave nanochannels using focused ion beams
1D spin-wave conduits are envisioned as nanoscale components of
magnonics-based logic and computing schemes for future generation electronics.
`A-la-carte methods of versatile control of the local magnetization dynamics in
such nanochannels are highly desired for efficient steering of the spin waves
in magnonic devices. Here, we present a study of localized dynamical modes in
1-m-wide Permalloy conduits probed by microresonator ferromagnetic
resonance technique. We clearly observe the lowest-energy edge mode in the
microstrip after its edges were finely trimmed by means of focused Ne ion
irradiation. Furthermore, after milling the microstrip along its long axis by
focused ion beams, creating consecutively 50 and 100 nm gaps,
additional resonances emerge and are attributed to modes localized at the inner
edges of the separated strips. To visualize the mode distribution, spatially
resolved Brillouin light scattering microscopy was used showing an excellent
agreement with the ferromagnetic resonance data and confirming the mode
localization at the outer/inner edges of the strips depending on the magnitude
of the applied magnetic field. Micromagnetic simulations confirm that the
lowest-energy modes are localized within 15-nm-wide regions at the edges
of the strips and their frequencies can be tuned in a wide range (up to 5 GHz)
by changing the magnetostatic coupling (i.e. spatial separation) between the
microstrips.Comment: 10 pages, 4 figure
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
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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
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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
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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
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12 Summary and outlook
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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
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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
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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
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Closing remarks
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13 Publications and conference contributions
Appendix
A Extended derivations and proofs
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