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Terahertz spintronics and magnonics of ferro- and antiferromagnets

English title Terahertz spintronics and magnonics of ferro- and antiferromagnets
Applicant Grundler Dirk
Number 177550
Funding scheme ERA.Net RUS Plus
Research institution Laboratoire des matériaux magnétiques nanostructurés et magnoniques EPFL - STI - IMX - LMGN
Institution of higher education EPF Lausanne - EPFL
Main discipline Material Sciences
Start/End 01.07.2018 - 30.06.2022
Approved amount 267'386.00
Show all

All Disciplines (2)

Discipline
Material Sciences
Electrical Engineering

Keywords (5)

Electromagnetic functional materials; Nanomaterials; Films and interfaces; Spintronics; Magnonics

Lay Summary (German)

Lead
In der Informationstechnologie finden ferro- und antiferromagnetische Materialien Anwendung in der Datenspeicherung und in der Sensorik. In den spintronischen Bauelementen wird dabei der Spinfreiheitsgrad der Elektronen ausgenutzt. Relevante Frequenzen liegen zwischen etwa MHz und wenige GHz. Um einen höheren Frequenzbereich bis wenige THz abzudecken, sind kollektive Spinanregungen (Magnonen) in ferri- und antiferromagnetischen Dünnfilmen von besonderem Interesse. Mit ihrer Hilfe könnten ultraschnelle Informationsübertragung und -prozessierung erreicht werden, ohne dass Ohmsche Verluste auftreten würden.
Lay summary

Unser Ziel ist es, ferri- und antiferromagnetische Dünnfilme hinsichtlich magnonischer Anregungen von wenigen GHz bis hin zu etwa 1 THz zu untersuchen. Dazu setzen wir zum einen breitbandige elektrische Spinwellenspektroskopie und zum anderen ineleastische Lichtstreuung (Brillouin-Streuung, BLS) ein. Unser BLS-Mikroskop erlaubt es, mit einer hohen Ortsauflösung (Mikrometer) und über einen weiten Temperaturbereich bis nahe an die kritische Temperatur des verwendeten Antiferromagneten (Néel-Temperatur) Dynamik zu untersuchen. Dadurch erhoffen wir uns Erkenntnisse zu gewinnen, inwieweit magnetische Anisotropien in Heterostrukturen die Spinsignale bis hinauf zu etwa 1 THz beeinflussen.

Insgesamt wollen wir zum Verständnis von aktiven und passiven magnetischen Komponenten für die sub-THz- und THz-Signalprozessierung beitragen. In diesem Frequenzbereich ist die Realisierung von kohärenten Signalquellen und entsprechenden Detektoren in kompakter Bauform eine physikalische und technische Herausforderung. Drahtlose Kommunikationstechnologien, chemische Analysemethoden und medizinische Bildgebung könnten beispielweise von einer THz-Technologie profitieren.

Direct link to Lay Summary Last update: 29.03.2018

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Project partner

Natural persons


Name Institute

Publications

Publication
Long decay length of magnon-polarons in BiFeO3/La0.67Sr0.33MnO3 heterostructures
Zhang Jianyu, Chen Mingfeng, Chen Jilei, Yamamoto Kei, Wang Hanchen, Hamdi Mohammad, Sun Yuanwei, Wagner Kai, He Wenqing, Zhang Yu, Ma Ji, Gao Peng, Han Xiufeng, Yu Dapeng, Maletinsky Patrick, Ansermet Jean-Philippe, Maekawa Sadamichi, Grundler Dirk, Nan Ce-Wen, Yu Haiming (2021), Long decay length of magnon-polarons in BiFeO3/La0.67Sr0.33MnO3 heterostructures, in Nature Communications, 12(1), 7258-7258.
Direct observation of multiband transport in magnonic Penrose quasicrystals via broadband and phase-resolved spectroscopy
Watanabe Sho, Bhat Vinayak S., Baumgaertl Korbinian, Hamdi Mohammad, Grundler Dirk (2021), Direct observation of multiband transport in magnonic Penrose quasicrystals via broadband and phase-resolved spectroscopy, in Science Advances, 7(35), eabg3771-eabg3771.
The 2021 Magnonics Roadmap
Barman Anjan, Gubbiotti Gianluca, Ladak S, Adeyeye A O, Krawczyk M, Gräfe J, Adelmann C, Cotofana S, Naeemi A, Vasyuchka V I, Hillebrands B, Nikitov S A, Yu H, Grundler D, Sadovnikov A V, Grachev A A, Sheshukova S E, Duquesne J-Y, Marangolo M, Csaba G, Porod W, Demidov V E, Urazhdin S, Demokritov S O, et al. (2021), The 2021 Magnonics Roadmap, in J. Phys.: Condens. Matter, 33(41), 413001-413001.
van der Waals Epitaxy of Co 10– x Zn 10– y Mn x + y Thin Films: Chemical Composition Engineering and Magnetic Properties
Kúkoĺová Anna, Escobar Steinvall Simon, Paul Rajrupa, Leran Jean-Baptiste, Che Ping, Hamdi Mohammad, Mucchietto Andrea, Grundler Dirk, Fontcuberta i Morral Anna (2021), van der Waals Epitaxy of Co 10– x Zn 10– y Mn x + y Thin Films: Chemical Composition Engineering and Magnetic Properties, in The Journal of Physical Chemistry C, acs.jpcc.1-acs.jpcc.1.
Optimization of Spin-Wave Propagation with Enhanced Group Velocities by Exchange-Coupled Ferrimagnet-Ferromagnet Bilayers
An K., Bhat V.S., Mruczkiewicz M., Dubs C., Grundler D. (2019), Optimization of Spin-Wave Propagation with Enhanced Group Velocities by Exchange-Coupled Ferrimagnet-Ferromagnet Bilayers, in Physical Review Applied, 11(3), 034065-034065.

Datasets

Optimization of Spin-Wave Propagation with Enhanced Group Velocities by Exchange-Coupled Ferrimagnet-Ferromagnet Bilayers

Author An, Kyongmo
Publication date 27.03.2019
Persistent Identifier (PID) 10.5072/zenodo.265611
Repository sandbox.zenodo.org
Abstract
Raw data associated to the manuscript ‘’Optimization of Spin-Wave Propagation with Enhanced Group Velocities by Exchange-Coupled Ferrimagnet-Ferromagnet Bilayers‘’, Phys. Rev. Applied 11, 034065 (2019). Two VNA data for bare YIG and YIG/Py are provided. Mathematica 10.1 was used for data processing. Comsol 5.2a was used for finite element method simulation.

Data set

Author Watanabe, Sho; Bhat, Vinayak S.; Baumgaertl, Korbinian; Hamdi, Mohammad; Grundler, Dirk
Publication date 25.08.2021
Persistent Identifier (PID) 10.5281/zenodo.5146424
Repository zenodo
Abstract
File formats are described in read_me.pdf files in the concerning folders. For plotting and data evaluation, Python 2.7 was used. Example scrips for plotting are provided.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
11th EDMX Research Day (2021) Poster Terahertz propagating spin waves in antiferromagnetic spin Hall nano-oscillators 10.02.2021 Lausanne, Switzerland Hamdi Mohammad; Grundler Dirk;
Invited Seminar Talk at Physics Department, Shahid Beheshti University, Iran Individual talk Antiferromagnetic Spintronics and Magnonics 20.01.2020 Tehran, Iran Hamdi Mohammad;
EDMX Research Day 2019 Poster Towards terahertz Spintronics and Magnonics: Current induced spin waves in antiferromagnets 29.11.2019 Lausanne, Switzerland Hamdi Mohammad; Grundler Dirk;


Knowledge transfer events



Self-organised

Title Date Place
Open House day EPFL 14.09.2019 Lausanne, Switzerland

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
197360 Synthesis and functionalities of nanoscale magnonic superstructures 01.06.2021 Project funding (Div. I-III)
183304 Microwaves for coherent control of quantum matter and magnonic devices 01.12.2018 R'EQUIP
189644 Versatile high sensitivity and throughput magnetometer for quantum, functional and applied materials 01.03.2020 R'EQUIP

Abstract

The main goals of the project are (i) to study, both theoretically and experimentally, mechanisms of electric current, mechanical stresses and electric potentials influencing physical properties of conducting and dielectric ferro- and antiferromagnetic heterostructures which exhibit eigenfrequencies in the microwave and terahertz frequency range, (ii) to investigate nonequilibrium processes in these structures and (iii) to develop concepts of signal processing and logic devices based on magnonic networks and antiferromagnets including ferromagnetic nanoelements under the influence of Dzyaloshinskii-Moriya interaction in microwave and terahertz frequency range.
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