Messstand zur Breitband-Mikrowellenanalyse
Final Report Abstract
Der Messstand zur Breitband-Mikrowellenanalyse, für die vollständige Charakterisierung von Proben und die Untersuchung von linearen und nichtlinearen magnetischen Phänomenen in einem großen Bereich von Mikrowellen-Frequenzen, wurde erfolgreich in der AG Magnetismus der TU Kaiserslautern installiert. Dieser experimentelle Aufbau besteht aus den folgenden grundlegenden komplementären Geräten: Vektor-Netzwerkanalysator, Spektrumanalysator, Mikrowellen-Signalgenerator, hoch-energetischer Mikrowellenverstärker, feldgeregelte Elektromagnet- Plattformsysteme, Oszilloskop und kleineres Mikrowellenzubehör zur Ermöglichung der effektiven Nutzung der Basisgeräte. Es wurde effektiv mit der bestehenden Brillouin-Lichtstreu- Spektroskopie (BLS) Technik kombiniert, was in der Erzielung von neuen physikalischen Effekten in dem Forschungsfeld der Magnonik und der Magnon Spintronik resultierte. Die wichtigsten Forschungsergebnisse und wissenschaftlichen Arbeiten welche sich aus dem Einsatz des Messstandes ergaben sind folgende: 1) Untersuchung der Entwicklung eines überpopulierten Magnonengases zu einem Bose- Einstein-Kondensat (BEK) und die Anregung eines magnonischen Suprastroms, angetrieben von einem Phasengradienten in der Wellenfunktion des Kondensats, welches bei Raumtemperatur in einem magnetischen Isolator mit niedriger Dämpfung beobachtet werden kann. Das überpopulierte Magnonengas wurde durch die Anregung von Spinwellen mit kurzen Wellenlängen via parametrisches Pumpen durch Mikrowellenstrahlung realisiert. 2) Mikrowellencharakterisierung von magnetischen Proben im Mikro- und Nanometer-Größenbereich in einem weiten Intervall von Spinwellenfrequenzen und -wellenlängen, wodurch die Entdeckung des rapiden Abkühlens als neuartiger universeller Ansatz für die Erzeugung von magnonischen BEKs in Mikrostrukturen ermöglicht wurde. 3) Die experimentelle Realisierung eines Ort-Zeit-Kristalls mit verstellbarer Zeit- und Ort- Periodizität im Magnonen BEK, erzeugt bei Raumtemperatur in einem ferrimagnetischen Film durch ein örtlich homogenes magnetisches Feld mit Radiofrequenz. 4) Spinwellen wurden in magnetischen Nano-Wellenleitern mit verschiedenen Aspektverhältnissen untersucht. Es wurde eine kritische Breite gefunden, unter der die Austauschwechselwirkung das dipolare Pinning-Phänomen übertrifft. Dies ändert das Quantisierungskriterium für die Spinwellen-Eigenmoden und resultiert in einer ausgeprägten Modifizierung der Modenprofile und Dispersionsrelationen der Spinwellen. Diese Entdeckungen sind von hoher Wichtigkeit für das wachsende Feld der Nanomagnonik. 5) Wir demonstrieren, dass die Zeitentwicklung des longitudinalen Spin-Seebeck-Effekts (LSSE) durch die Entwicklung der thermischen Gradienten, welche einen Fluss von thermischen Magnonen in die Nähe der magnetischen Isolator/Nichtmagnet-Metall-Grenzschicht auslöst, bestimmt ist. 6) Der Einfluss des LSSE auf die Magnonendämpfung in magnetischen Isolator/Nichtmagnet- Metall-Doppelschichten wurde für Dipolar- und Austauschspinwellen untersucht. Der ausdrucksstärkste Hinweis für die Qualität der durchgeführten Messungen und der erhaltenen Resultate unter Verwendung des Messstandes zur Breitband-Mikrowellenanalyse ist die hohe Anzahl von neu eingeworbenen Projekten der AG Magnetismus. Die wichtigsten unter diesen sind zwei ERC-Projekte sowie zwei Projekte im DFG-Sonderforschungsbereich (SFB/TRR) 173 “Spin+X – Spin in its collective environment”. Während der Berichtsperiode hat der existierende Aufbau 12 Studenten der AG Magnetismus ermöglicht ihre Mikrowellenexperimente auszuführen und ihre Doktor- sowie Bachelor-/Master-/Diplomarbeiten erfolgreich durchzuführen.
Publications
- "Bogoliubov waves and distant transport of magnon condensate at room temperature", Nature Communications
D.A. Bozhko, A.J.E. Kreil, H.Yu. Musiienko-Shmarova, A.A. Serga, A. Pomyalov, V.S. L’vov, B. Hillebrands
(See online at https://doi.org/10.1038/s41467-019-10118-y) - Magnon spintronics, Nat. Phys. 11, 453 (2015)
A.V. Chumak, V.I. Vasyuchka, A.A. Serga B. Hillebrands
(See online at https://doi.org/10.1038/nphys3347) - Damping of parametrically excited magnons in the presence of the longitudinal spin Seebeck effect, Phys. Rev. B 95, 134441 (2017)
T. Langner, A. Kirihara, A.A. Serga, B. Hillebrands, V.I. Vasyuchka
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.95.134441) - From kinetic instability to Bose-Einstein condensation and magnon supercurrents, Phys. Rev. Lett. 121, 077203 (2018)
A.J.E. Kreil, D.A. Bozhko, H.Yu. Musiienko-Shmarova, V.I.Vasyuchka, V.S. Lvov, A. Pomyalov, B. Hillebrands, A.A. Serga
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.121.077203) - Spin Seebeck effect and ballistic transport of quasi-acoustic magnons in room-temperature yttrium iron garnet films, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 234003 (2018)
T. Noack, H.Yu. Musiienko-Shmarova, T. Langner, F. Heussner, V. Lauer, B. Heinz, D.A. Bozhko, V.I.Vasyuchka, A. Pomyalov, V.S. L’vov, B. Hillebrands, A.A. Serga
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6463/aac0f1) - Spin-wave propagation through a magnonic crystal in a thermal gradient, J. Phys. D: Appl. Phys. 51, 344002 (2018)
T. Langner, D.A Bozhko, S.A Bunyaev, G.N Kakazei, A.V Chumak, A.A Serga, B. Hillebrands, V.I Vasyuchka
(See online at https://doi.org/10.1088/1361-6463/aad2ac) - Temperature-dependent relaxation of dipole-exchange magnons in yttrium iron garnet films, Phys. Rev. B 97, 214405 (2018)
L. Mihalceanu, V.I. Vasyuchka, D.A. Bozhko, T. Langner, A.Yu. Nechiporuk, V.F. Romanyuk, B. Hillebrands, A.A. Serga
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.214405)
