Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя

Скорочена інформація про документ
dc.contributor.advisorГоробець, Оксана Юрiївна
dc.contributor.authorТюкавкiна, Iрина Миколаївна
dc.date.accessioned2024-02-27T12:47:48Z
dc.date.available2024-02-27T12:47:48Z
dc.date.issued2023
dc.description.abstractТюкавкiна I. М. Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя. — Квалiфiкацiйна наукова праця на правах рукопису. Дисертацiя на здобуття наукового ступеня доктора фiлософiї за спецiальнiстю 104 — Фiзика та астрономiя. — Нацiональний технiчний унiверситет України «Київський полiтехнiчний iнститут iменi Iгоря Сiкорського», Київ, 2023. Дисертацiя присвячена спiновим хвилям, якi є перспективними для iмплiкацiї пристроїв спiн-хвильової логiки в електронiцi, завдяки їх потенцiйно великiй енергiї, короткiй довжинi хвилi та високiй швидкостi розповсюдження. Розглядається проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї, структурованi спецiальним чином при їх виготовленнi, а саме з модульованими параметрами власної магнiтної анiзотропiї, обмiнної константи та взаємодiї Дзялошинського-Морiя. На основi точних лiнiйних та аналiтичних розв’язкiв рiвняння Ландау-Лiфшиця було побудовано аналiтичну модель взаємодiї лiнiйних та нелiнiйних спiнових хвиль iз метаповерхнями iз врахуванням рiзного типу граничних умов для рiвняння Ландау-Лiфшиця. Дисертацiйна робота складається iз п’яти роздiлiв, у яких описано проходження спiнових хвиль через метаповерхнi рiзної конфiгурацiї в феромагнiтних матерiалах. Основну частину дисертацiї доповнено таблицею iз матерiальними параметрами, що використаннi для комп’ютерного моделювання розповсюдження спiнових хвиль, що зiбранi iз вiдповiдних джерел для феромагнетикiв. Також, у додатках приведено програми, що виконанi в середовищi Python, для кожної iз задач, включених у дану дисертацiйну роботу. У першому роздiлi дисертацiйної роботи розглядається загальний вигляд повної енергiї феромагнетика, зокрема, доданок, що описує взаємодiю Дзялошинського-Морiя, та граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшиця на метаповерхнi мiж двома феромагнетиками. Огляд теоретичних та експериментальних спостережень ефекту невзаємностi спiнових хвиль включено в перший роздiл, оскiльки, створення нових магнонних пристроїв на базi невзаємного поширення спiнових хвиль є перспективним напрямком розвитку магнонiки. Експериментальне спостереження дифракцiї та iнтерференцiї спiнових хвиль i спiн-хвильовi ефекти в наноелектронiцi докладно описано в цьому роздiлi для розумiння сьогоденної парадигми в областi спiнтронiки та магнонiки та видiлено основнi напрями їх майбутнього розвитку. Другий роздiл присвячено аналiтичнiй моделi для опису поширення спiнової хвилi через систему, що складається з двох феромагнетикiв без та iз взаємодiєю Дзялошинського-Морiя, роздiлених плоским iнтерфейсом. Знайдено залежностi коефiцiєнтiв проходження та вiдбиття спiнової хвилi як функцiю частоти спiнової хвилi та константи Дзялошинського-Морiя, яка, як вiдомо, сильно залежить вiд температури та має тенденцiю до значного зростання при низькiй температурi порiвняно з кiмнатною. Взаємодiя Дзялошинського-Морiя дозволяє описати численнi магнiтнi властивостi сполук iз порушеною симетрiєю. Дослiдження систем з неколiнеарними спiновими текстурами, таких як хiральнi доменнi стiнки, скiрмiони, скiрмiоннi ґратки, магнiтнi спiралi у феромагнiтних матерiалах мають широкий спектр застосувань, наприклад, у пристроях спiн-хвильової логiки, кодування бiтiв для рейс-трекової пам’ятi. В третьому роздiлi дисертацiйної роботи виведено граничнi умови для рiвняння Ландау-Лiфшица на межi роздiлу двох феромагнетикiв з рiзними значеннями взаємодiї Дзялошинського-Морiя. Аналiтичний вираз для умови неперервностi густини потоку енергiї при поширеннi спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя розраховано з урахуванням зазначених граничних умов. Дослiдження такого роду систем не тiльки вiдкриють новi можливостi для наведення та манiпулювання спiновими хвилями в надтонких магнiтних наноструктурах, а й сприятимуть розвитку променевої магнонiки. Аналiтичнi вирази для коефiцiєнтiв вiдбиття, проходження та фактори невзаємностi, що обчисленi iз врахуванням взаємодiї Дзялошинського-Морiя, дозволять поглибити знання про керування поширенням спiнової хвилi в магнонних пристроях. Аналiтична модель показує, що iснує два типи ефектiв невзаємностi для поширення спiнової хвилi через феромагнетик зi схiдчастою взаємодiєю Дзялошинського-Морiя для протилежних орiєнтацiй вектора Дзялошинського-Морiя. У сприятливих ситуацiях це може збiльшити довжину загасання спiнової хвилi. Знайдено матерiальнi параметри феромагнетика та схiдчастої взаємодiї Дзялошинського-Морiя, для яких за результатами розрахункiв очiкується надзвичайно високий коефiцiєнт невзаємностi (> 10). Результати даної роботи дозволять реалiзувати керування поширення спiнової хвилi в магнонних пристроях. У четвертому роздiлi поставлено задачу розрахувати параметри рiзних феромагнiтних матерiалiв для створення метаповерхневої спiн-хвильової зонної пластинки Френеля, яка здiйснюватиме управлiння амплiтудою та фазою спiнової хвилi i матиме покращену функцiональнiсть фокусування. Проводячи аналогiю з оптикою, в магнонiцi за допомогою системи отворiв реалiзовано тiльки найпростiший тип зонної пластинки Френеля, яка є дифракцiйною лiнзою та складається з серiї концентричних кiлець, що чергуються. Спiн-хвильовий-аналог метаповерхневої зонної пластинки Френеля може бути створено за допомогою перiодичної модуляцiї iзотропного обмiну та власної магнiтної анiзотропiї iнтерфейсу мiж двома феромагнетиками. Така фазово-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля може бути використана для бiльш ефективного фокусування як спiнових хвиль, що пройшли, нiж традицiйна амплiтудно-модульована спiн-хвильова зонна пластина Френеля. Позаяк метаповерхня може iндивiдуально керувати амплiтудою, фазою та поляризацiєю електромагнiтної хвилi, то метаповерхнева зонна пластинка забезпечує бiльше ступенiв свободи для покращення функцiональностi, нiж звичайна зонна пластинка Френеля. Очевидно, що в магнонiцi, запозичуючи вiдповiднi iдеї фотонiки, перспективною є розробка метаповерхневих зонних пластинок для спiнових хвиль, якi б замiсть блокування амплiтуди хвилi в непрозорих зонах забезпечували б вiдповiдний зсув фаз для конструктивної iнтерференцiї зi спiновою хвилею, збiльшуючи ефективнiсть фокусування в порiвняннi з амплiтудною зонною пластинкою Френеля. П’ятий роздiл дисертацiї демонструє аналiтичну модель для опису руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками за допомогою спiн-поляризованого струму. Залежнiсть швидкостi руху феромагнiтної доменної стiнки зi скiрмiон-подiбними будiвельними блоками, керовану спiн-поляризованим струмом, вiд сили спiн-поляризованого струму i напруженостi зовнiшнього магнiтного поля обраховано у даному роздiлi. Переважна бiльшiсть теоретичних дослiджень внутрiшньої структури доменних стiнок у феро- та антиферомагнетиках базується на чисельному мiкромагнiтному моделюваннi. Факт наявностi нескiнченної кiлькостi магнiтних текстур за однакових граничних умов для вектора намагнiченостi представляє нетривiальну задачу для чисельного мiкромагнiтного моделювання. Точний динамiчний розв’язок рiвняння Ландау-ЛiфшицяГiлберта-Слончевського у феромагнетику з одновiсною магнiтною анiзотропiєю, який описує рух доменної стiнки зi скiрмiонами у внутрiшнiй структурi пiд дiєю зовнiшнього магнiтного поля та спiнового струму дозволяє розв’язати цю задачу аналiтично. На додаток, отриманий розв’язок застосовний не тiльки для нескiнченного феромагнетика, а й до вiльного шару шаруватої системи феромагнетик/немагнiтний метал/феромагнетик за умови, що характерний масштаб скiрмiон-подiбного будiвельного блоку, як компоненти внутрiшньої структури доменної стiнки, є набагато меншим, нiж товщина вiльного шару. Остання умова добре виконується для скiрмiонiв розмiром порядку кiлькох нм, якi особливо популярнi як носiї iнформацiї у галузi спiнтронiки.
dc.description.abstractotherTiukavkina I. M. Spin waves in one- and two-layer ferromagnetic plates with metasurfaces with intrinsic magnetic anisotropy and the DzyaloshynskiiMoriya interaction. –– Qualification scientific work in the form of manuscript. Thesis for doctor of philosophy degree in speciality 104 –– Physics and astronomy. –– National Technical University of Ukraine “Igor Sikorsky Kyiv Polytechnic Institute”, Kyiv, 2023. The thesis focuses on spin waves, which are promising for the implication of spin-wave logic devices in electronics due to their potentially large energy, short wavelength, and high propagation speed. The passage of spin waves through metasurfaces of various configurations, structured in a special way during their manufacture, namely with modulated parameters of their magnetic anisotropy, exchange constant, and Dzyaloshinskii-Moriya interaction, is considered. Based on exact linear and analytical solutions of the Landau-Lifshitz equation, an analytical model of the interaction of linear and nonlinear spin waves with metasurfaces was built, taking into account different types of boundary conditions for the Landau-Lifshitz equation. The dissertation consists of five sections, which describe the passage of spin waves through metasurfaces of different configurations in ferromagnetic materials. The main part of the dissertation is supplemented by a table with material parameters used for computer modelling of the propagation of spin waves collected from relevant sources for ferromagnets. Also, there are programs executed in the Python environment for each of the tasks included in this dissertation in the appendices. The first chapter of the dissertation considers the general form of the total energy of a ferromagnet, in particular, the term describing the DzyaloshynskiiMoriya interaction, and the boundary conditions for the Landau-Lifshitz equation on the metasurface between two ferromagnets. A review of the observations of the effect of non-reciprocity of spin waves is included in the first section, since the creation of new magnon devices based on the nonreciprocal propagation of spin waves is a promising direction in the development of Magnonics. Experimental observation of diffraction and interference of spin waves and spin-wave effects in Nanoelectronics are described in detail in this chapter to understand the current paradigm in the field of Spintronics and Magnonics and highlight the main directions of their future development. The second chapter is devoted to an analytical model for describing the propagation of a spin wave through a system consisting of two ferromagnets without and with the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, separated by a flat interface. The dependences of transmission and reflection coefficients of spin wave are found as a function of Dzyaloshinskii-Moriya constant which is known to be strongly temperature dependent, tending to significant increase at low temperature compared to room temperature. The DzyaloshinskiiMoriya interaction allows describing the numerous magnetic properties of compounds with broken symmetry. Studies of systems with non-collinear spin textures, such as chiral domain walls, skyrmions, skyrmion lattices, magnetic spirals in ferromagnetic materials have a wide range of applications, for example, in devices of spin-wave logic, coding bits for racingtrack memory. In the third chapter of the dissertation, the boundary conditions for the Landau-Lifshitz equation at the interface of two ferromagnets with different values of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction are derived. The analytical expression for the condition of continuity of the energy flux density during the propagation of a spin wave through a ferromagnet with a stepwise Dzyaloshinskii-Moriya interaction was calculated taking into account the specified boundary conditions. Research of these kinds of systems will not only open up new opportunities for guiding and manipulating spin waves in ultrathin magnetic nanostructures, but will also contribute to the development of beam Magnonics. Analytical expressions for reflection coefficients, transmission and non-reciprocity factors, calculated taking into account the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, will allow us to deepen our knowledge of the control of spin wave propagation in magnon devices. The analytical model for the properties of the spin wave shows that the DzyaloshinskiiMoriya interaction leads to non-reciprocal propagation of the spin wave, that is, to different properties of the propagation of the spin wave in opposite directions. In favourable situations, this can increase the decay length of the spin wave. The material parameters of the ferromagnet and the stepped Dzyaloshynskii-Moriya interactions were found, for which, according to the results of the calculations, an extremely high coefficient of non-reciprocity (10) is expected. The results of this work make it possible to implement spin wave propagation control in magnon devices. In the fourth chapter, the task is to calculate the parameters of various ferromagnetic materials to create a metasurface spin-wave Fresnel zone plate, which will control the amplitude and phase of the spin wave and have improved focusing functionality. Drawing an analogy with optics, only the simplest type of Fresnel zone plate, which is a diffraction lens and consists of a series of alternating concentric opaque and transparent rings, is implemented in Magnonics using a system of holes. Since the metasurface can individually control the amplitude, phase, and polarization of the electromagnetic wave, the metasurface zone plate provides more degrees of freedom for improved functionality than a conventional Fresnel zone plate. Obviously, in Magnonics, borrowing relevant ideas from photonics, it is promising to develop metasurface zone plates for spin waves, which, instead of blocking the wave amplitude in opaque zones, would provide an appropriate phase shift for constructive interference with a spin wave propagating from a ”transparent” region without phase shift, increasing the focusing efficiency compared to the Fresnel amplitude zone plate. The fifth chapter of the thesis demonstrates an analytical model for describing the motion of a ferromagnetic domain wall using a spin-polarized current from skyrmion-like building blocks. The dependence of the speed of movement of a ferromagnetic domain wall made of skyrmion-like building blocks, controlled by a spin-polarized current, on the driving torques and the external magnetic field strength is calculated in this section. The vast majority of theoretical studies of the internal structure of domain walls in ferroand antiferromagnets are based on numerical micromagnetic modelling. The fact of the presence of an infinite number of magnetic textures under the same boundary conditions for the magnetization vector presents a problem for numerical micromagnetic modeling. The exact dynamic solution of the Landau-Lifshitz-Gilbert-Slonczewski equation in a ferromagnet with uniaxial magnetic anisotropy, which describes the movement of the domain wall with skyrmions in the internal structure under the action of an external magnetic field and driving torques, will solve this problem. Moreover, the obtained solution is applicable not only to an infinite ferromagnet, but also to the free layer of the system ferromagnet/non-magnetic metal/ferromagnet, provided that the characteristic scale of the skyrmion-like building block, as components of the internal structure of the domain wall, is much smaller, than the thickness of the free layer. The last condition is well fulfilled for skyrmions with a size of the order of several nm, which are particularly popular as information carriers in the field of Spintronics.
dc.format.extent206 с.
dc.identifier.citationТюкавкiна, I. М. Спiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя : дис. ... доктора філософії : 104 Фiзика та астрономiя / Тюкавкiна Iрина Миколаївна. - Київ, 2023. - 206 с.
dc.identifier.urihttps://ela.kpi.ua/handle/123456789/65030
dc.language.isouk
dc.publisherКПІ ім. Ігоря Сікорського
dc.publisher.placeКиїв
dc.subjectспиновi хвилi
dc.subjectферомагнетик
dc.subjectграничнi умови
dc.subjectметаповерхня
dc.subjectвзаємодiї Дзялошинського-Морiя
dc.subjectмагнiтодипольна взаємодiя
dc.subjectвзаємодiя обмiнна
dc.subjectмагнiтне впорядкування
dc.subjectдинамiка намагнiченостi
dc.subjectферомагнетизм
dc.subjectмагнiтна анiзотропiя
dc.subjectмiкрохвильовi властивостi
dc.subjectмагнiтна динамiка
dc.subjectspin waves
dc.subjectferromagnet
dc.subjectboundary conditions
dc.subjectmetasurface
dc.subjectDzyaloshinskii-Moriya interactions
dc.subjectspin-spin interactions
dc.subjectmagnetic ordering
dc.subjectmagnetization dynamics
dc.subjectferromagnetism
dc.subjectmagnetic anisotropy
dc.subjectmicrowave propertie
dc.subjectmagnetic dynamics
dc.subject.udc537.63:537.622.4+537.611.2](043.3)
dc.titleСпiновi хвилi в одно- та двошарових феромагнiтних пластинах iз метаповерхнями з власною магнiтною анiзотропiєю та взаємодiєю Дзялошинського-Морiя
dc.typeThesis Doctoral

Файли

Контейнер файлів
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз
Назва:
Tiukavkina_dys.pdf
Розмір:
13.25 MB
Формат:
Adobe Portable Document Format
Завантажити
Ліцензійна угода
Зараз показуємо 1 - 1 з 1
Ескіз недоступний
Назва:
license.txt
Розмір:
8.98 KB
Формат:
Item-specific license agreed upon to submission
Опис:
Завантажити

Зібрання

Дисертації (КЗФ)
Дисертації (вільний доступ)