Inverse design optimization and experimental study of magnon circuits for room- and cryogenic-temperature applications

Moderne Technologie entwickelt sich in bemerkenswertem Tempo und prägt unser tägliches Leben fortwährend. Auch wenn der Fortschritt unaufhaltsam und sogar beschleunigt erscheint, wird er grundlegend durch wissenschaftliche Forschung ermöglicht, die die nächsten Schritte in Leistung und Funktionalität antizipiert. Ein zentrales Motiv dieser Forschung sind die grundlegenden Beschränkungen der CMOS-Technologien, darunter Energieeffizienz, Wärmeabfuhr, Taktfrequenzerhöhung und die fortgesetzte Verkleinerung aktiver Einheiten. Die Magnonik, die Spinwellen als Quanten kollektiver Magnetisierungsdynamik nutzt, zielt darauf ab, diese Grenzen zu überwinden. Da der Transport von Spinwellen keine Ladungsbewegung erfordert, ist die Joule-Erwärmung intrinsisch reduziert. Zudem lassen sich Magnonen leicht auf Nanometer-Wellenlängen skalieren und arbeiten über einen breiten Frequenzbereich vom Gigahertz- bis zum Terahertz-Bereich, was schnellere und kompaktere Bauelemente ermöglicht. Die vorliegende Arbeit widmet sich dem Fortschritt der magnonbasierten Informationsverarbeitung und leistet einen wesentlichen Beitrag zum Aufbau von Spinwellen-Technologien, die sowohl bei Raumtemperatur als auch bei kryogenen Temperaturen betrieben werden können. Dabei werden drei zentrale Herausforderungen adressiert, die derzeit praktische Anwendungen begrenzen. Erstens ist die Entwicklung magnonischer Logikelement auf der Nanoskala mit komplexen Geometrien mittels konventioneller, intuitiongetriebener Entwurfsverfahren schwierig. Zur Lösung wird ein neuartiges Inverse-Design-Framework entwickelt, das mikromagnetische Simulationen mit einer Level-Set-Parametrisierung und der adjoint-state-Methode zur Topologieoptimierung koppelt. Als Demonstrator identifiziert der Algorithmus ein nicht-intuitives Bauelement, das frequenzselektives Spinwellen-Demultiplexing in einem kompakten Designbereich von 1 µm x 1 µm realisiert. Dieses Ergebnis etabliert einen Weg zur automatisierten Synthese fortgeschrittener magnonischer Komponenten und bildet die Grundlage für die Entwicklung zukünftiger Bauelemente, die intrinsische Nichtlinearitäten ausnutzen. Zweitens erfordert effiziente Spinwellen-Propagation in Nanostrukturen magnetische Medien, die ihre Eigenschaften beim Verkleinern bewahren. Diese Arbeit untersucht den Einsatz von Gallium-substituiertem Yttrium-Eisen-Granat (Ga:YIG) als Plattform für die Spinwellen-Ausbreitung als Alternative zu konventionellem, undotiertem YIG. Kombinierte experimentelle und theoretische Studien an nanofabrizierten Ga:YIG-Wellenleitern mit Breiten bis hinunter zu 145 nm zeigen austauschdominierte Moden mit Gruppengeschwindigkeiten, die um ein Mehrfaches höher sind als in YIG-Strukturen vergleichbarer Größe. Diese Ergebnisse etablieren Ga:YIG als geeignetes Material für nanoskalige magnonische Bauelemente. Drittens adressiert die Arbeit eine kryogene Herausforderung des quantenmagnonischen Rechnens: den parasitären Einfluss eines paramagnetischen Substrats auf die Magnetisierungsdynamik bei millikelvin-Temperaturen. Hierzu wird ein umfassender numerischer Ansatz eingeführt, der eine numerische Lösung der magnetostatischen Maxwell-Gleichungen zur Berechnung des durch GGG induzierten Streufelds mit zeitabhängigen mikromagnetischen Simulationen der ferromagnetischen Resonanz (FMR) und der Spinwellen-Ausbreitung im darüberliegenden YIG-Film kombiniert. Der Rahmen reproduziert experimentell beobachtete Verschiebungen des Resonanzfelds und die Verbreiterung der Linienbreite und steht im Einklang mit analytischen Erwartungen. Damit steht ein quantitatives Werkzeug zur Verfügung, um substratinduzierte Vorspannungsfelder in Dünnfilmen bei millikelvin-Temperaturen zu berücksichtigen. Diese Fortschritte bei der Entwicklung magnonischer Bauelemente durch Inverse-Design, der nanoskaligen Ausbreitung auf Basis von Ga:YIG und einem kryogenen Modellierungsrahmen für Substrateffekte stellen einen substanziellen Schritt in Richtung Informationsverarbeitung jenseits der CMOS Technologie mit Spinwellen dar. Diese Arbeit wurde durch das FWF-Projekt 4917-N "Non-reciprocal 3D architectures for magnonic functionalities" und das FWF-Projekt I-6568 "Propagating low-energy 4f paramagnons" unterstützt.