Start Staff

Generacja i badanie wiązki gaussowskiej fal spinowych przy wykorzystaniu symulacji mikromagnetycznych

Research Area: Magnonics
Status: Finished Degree: Master
Directors: Students:

Paweł Gruszecki, 2014

 

Niniejsza praca magisterska prezentuje badania teoretyczne dotyczące wzbudzania i rozchodzenia się w cienkich ferromagnetycznych warstwach fal spinowych w reżimie dominujących oddziaływań wymiennych w postaci wiązek o niskiej rozbieżności. Głównym celem było wykazanie możliwości wzbudzania fal spinowych w postaci wiązek gaussowskich, oraz opracowanie metody ich otrzymywania możliwej do wykorzystania w symulacjach mikromagnetycznych, która mogłaby być stosowana w dalszych badaniach układów magnonicznych.
Praca została rozpoczęta krótkim wstępem przybliżającym tematykę związaną z magnoniką, falami spinowymi oraz matematycznym opisem wiązek gaussowskich. Następnie zostały omówione metody obliczeń numerycznych stosowanych w mikromagnetyzmie: porównane zostały dostępne na rynku oprogramowania umożliwiające prowadzenie symulacji mikromagnetycznych oraz metody numeryczne najczęściej przez nie wykorzystywane (metoda różnic skończonych i metoda elementów skończonych). Po szczegółowej analizie dostępnego oprogramowania została uargumentowana decyzja wyboru wykorzystanego w niniejszej pracy środowiska do symulacji mikromagnetycznych. Obliczenia numeryczne zostały wykonane przy pomocy programu MuMax3, który wykorzystuje procesory strumieniowe (GPU) oraz metodę różnic skończonych.
Pierwszym z dwóch głównych osiągnięć niniejszej pracy jest analityczne rozważanie wykazujące, że rozwiązaniem równania Landaua-Lifszyca może być Gaussowska wiązka fal spinowych dla pewnej efektywnej liczby falowej. Jej wartość jest równa liczbie falowej czysto wymiennych fal spinowych (z pominięciem oddziaływań dipolowych), która w ogólności różni się od liczby falowej wzbudzanych fal spinowych. Kolejnym osiągnięciem tej pracy jest opracowanie metody wzbudzania fal spinowych w postaci wiązek w cienkich warstwach ferromagnetycznych możliwych do wykorzystania w symulacjach mikromagnetycznych. Zostało to osiągnięte dzięki odpowiedniemu zaburzaniu statycznego pola magnetycznego poprzez ortogonalne do niego pole dynamiczne o odpowiednio zaprojektowanym przestrzennym rozkładzie amplitudy. Metoda ta została następnie przetestowana dla dwóch cienkich, ferromagnetycznych warstw wykonanych z kobaltu oraz granatu itrowo-żelazowego. Uzyskane wyniki symulacji mikromagnetycznych zostały skonfrontowane z modelem analitycznym. Okazało się, że otrzymane wiązki mają właściwości wiązek gaussowskich zgodne z wynikami rozważań analitycznych. Cechuje je niska rozbieżność (dla badanych ferromagnetycznych układów cienkowarstwowych uzyskano rozbieżność 5-6°) oraz duży zasięg Rayleigha (ok. 4,5 µm – czyli dystans porównywalny z maksymalnym zasięgiem propagacji fal spinowych w ferromagnetycznych metalach).