diplomová práce

Studie magnonických krystalů ve frekvenční doméně

Text práce 6.18 MB

Autor práce: Ing. Igor Turčan

Ak. rok: 2016/2017

Vedoucí: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Oponent: Ing. Aleš Hrabec, Ph.D.

Abstrakt:

Popis magnetodynamických vlastností nanomagnetů a nanostrukturovaných magnetických materiálů vyžaduje metody vhodné pro zkoumání typické časové odezvy těchto systémů, tj. v řádu nanosekund a méně. Nedostatek technik, vhodných právě pro charakterizaci v časové doméně, je spojen s možnostmi současné elektroniky. Další možný přístup, jak popsat vlastnosti nanomagnetů, je charakterizace ve frekvenční doméně v pásmu GHz. Nejrozšířenější technikou charakterizace ve frekvenční doméně je měření feromagnetické rezonance (FMR). Ze spekter FMR lze získat cenné informace o systému: parametr tlumení, saturační magnetizace atd. Metoda, kterou využíváme k detekci excitací spinových vln, má za cíl zjednodušení charakterizace. Využíváme termoelektrickou detekci spinových vln v magnetických drátech prostřednictvím anomálního Nernstova jevu. Metoda je založena na disipaci tepla uvnitř magnetické vrstvy v důsledku útlumu spinových vln, a proto dochází k vytvoření teplotního gradientu směrem k substrátu (kolmo k povrchu). To vede
k vytvoření elektrického pole kolmého jak na teplotní gradient, tak na směr magnetizace. Napětí je obvykle v řádu μV, proto může být měřeno obvyklým laboratorním vybavením. Navzdory své jednoduchosti poskytuje tato metoda velmi zajímavé výsledky a může být použita pro charakterizaci magnonických vlnovodů, magnonických metamateriálů, emitorů spinových vln a dalších zařízení, pracujících se spinovými vlnami.

Klíčová slova:

magnonika, anomální Nernstův jev, feromagnetická rezonance, excitace a detekce spinových vln

Termín obhajoby

20.6.2017

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znakmkaAznamka

Klasifikace

A

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Aplikované vědy v inženýrství (M2A-P)

Studijní obor

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (M-FIN)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Eduard Schmidt, CSc. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Posudek vedoucího
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Diplomová práce pana Igora Turčana se zabývá aktuálním tématem magnonických krystalů a studiem jejich magnetodynamické odezvy za pomoci měření tzv. Nernstova jevu. Při plnění zadaných úkolů pracoval student pilně a samostatně. Všechny cíle diplomové práce byly splněny, rád bych vyzvednul jak mimořádné nasazení pana Igora Turčana při práci v laboratoři, tak i jeho pečlivý přístup při psaní práce samotné. Výsledky této práce jsou velkým přínosem pro rozvoj magnetismu na VUT a byly dále publikovány na mezinárodní konferenci INTERMAG 2017, kde se setkaly s velmi pozitivním ohlasem. S potěšením doporučuji tuto diplomovou práci k obhajobě a hodnotím ji stupněm A.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené vysledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu A

Známka navržená vedoucím: A

Posudek oponenta
Ing. Aleš Hrabec, Ph.D.

Prace pana Bc. Igora Turcana pojednava o experimentalni studii magnonickych krystalu pomoci
magneticke resonance. Jadro cele prace spociva v experimentalni demonstraci Kittelovy rovnice
vyjadrujici resonancni frekvence za pritomnosti povrchovych magnonickych, tzv. Damonovych-
Eshbachovych vln (rovnice 2.47). Ta se tedy sklada z klasicke feromagneticke resonance rozsirene o
clen vyjadrujici vyse zminene povrchove vlny.
Zacatek prace predstavuje strucny a svizny prehled zakladu feromagnetismu, jenz postupne zasveti
ctenare do problemu magneticke resonance a magnonickych vln. Text je srozumitelny a jde poznat,
ze student stravil jisty cas studiem literatury. Osobne jsem presvedcen, ze dany uvod bude slouzit
budoucim studentum jako uzitecny uvod do dane problematiky a pokud nekdo zatouzi proniknout
hloubjeji, snadno muze nalezt spravne citovanou literaturu. Dynamiku magnetizace je mozne
detekovat nekolika zpusoby a zde je zvolena metoda anomalniho Nernstova efektu. Kapitola 2.6
obsahuje prehled reciprocnich termogalvanomagnetickcyh jevu, z nichz Nernstuv efekt tvori jednu
podskupinu.
Z experimentalniho hlediska se student zabyval vsemi fazemi experimentu: stavbe
vyskofrekvencniho setupu, rustem a litografii samotnych magnetickych struktur zavrsene uspesnym
mereni magneticke resonance. Jedna se o velice komplexni problem a vzhledem k tomu, ze je prace
svym zpusobem prukopnicka na Ustavu fyzikalniho inzenyrstvi, muzu jedine ocenit jeji komplexnost,
zavrsenou uspesne merenych rezonancnich krivek zobrazenych v obrazku cislo 5.2.
K praci mam nekolik pripominek a komentaru:
1) Jak je uvedeno uz vyse, detekce magneticke resonance je zalozena na Nernstove efektu, tj.
na pritomnosti vertikalniho gradientu teploty napric magnetickym materialem. Z tohoto uhlu
pohledu postradam blizsi informace o silikonovem substratu, ktery zde hraje podstatnou
roli. Jaky byl tedy presne vybran substrat a je pro dany efekt lepsi dobry termalni vodic
(napr. safir) nebo spatny vodic (napr. tlusta vrstva SiO2)? Je zde tedy moznost maximalizovat
merene napeti optimalizaci substratu?
2) V kapitole 5.1 je uveden princip detekce magnonu a to tak, ze excitovane povrchove vlny se
siri smerem od anteny dale do FeNi, kde jsou nasledne absorbovany a zpusobuji zahrivani
feromagnetu. Toto je vsak jen cast efektu a ve skutecnosti, jak je ukazano i v teto praci,
vetsina signalu pochazi z klasicke feromagneticke resonance. Tento efekt je napriklad
vyuzivan k tzv. magneticke hypertermii k lokalnimu zahrivani rakovinotvornych bunek.
3) Asi nejslabsim mistem cele prace je absence informace zvolene strategie designu
magnonickeho krystalu a alespon zevrubna analyza. Magnonicky krystal je zobrazen v
kapitole 4.3. Az po navratu do uvodni kapitoly si ctenar uvedomi, ze volba je motivovana
praci Chumaka et al., nicmene rozmery a geometrie daneho krystalu, ktere se lisi od puvodni
prace, zustavaji ctenari skryty. Na zaklade ceho je dana geometrie zvolena? Je mozne, ze za
absenci pozorovani pritomnosti povrchovych magnonickych vln je zvolena tloustka
feromagnetu? Jelikoz jsou vsechny experimentalni parametry znamy, je mozno z rovnice
2.47 odvodit posun rezonancnich frekvenci diky povrchovym vlnam vzhledem ke klasicke
feromagneticke resonance, t.j. urcit zda je vubec mozne experimentalne dany posuv zmerit.
V textu je uvedeno, ze vzorek s 50nm FeNi byl rovnez vyroben avsak chybi data pro dynamiku magnetizace. Vzhledem k povaze povrchovych vln je nejvetsi sance je pozorovat prave v tomto nejtensim filmu.
4) V obrazku 5.6b je zobrazen zpusob mereni magnetickeho tlumeni alpha. K nemu vsak bylo
pouzito pouze resonance v pozitivnim magnetickem poli. Z dat je vsak mozne taky urcit
alpha pomoci druheho peaku v obrazku 5.6a. K jake hodnote by vedla tato analyza? Je
mozne zduvodnit, proc maji oba peaky v obrazku 5.6a navzajem ruzny tvar?
5) Je mozno za pouziti nejjednodussich aproximaci a koeficientu Nernstova efektu prevzateho z
literatury odhadnout teplotni gradient ve feromagnetu? Rekneme, ze zanedbame penetraci
magnonickyh vln do feromagnetu a predpokladejme, ze k merenemu signal prispiva jenom
cast (t.j. objem) primo pod antenou.
6) Samotna antena generuje teplo a tedy oblast primo pod antenou je taky vystavena
gradientu teploty. Je tedy offset napr. v obrazku 5.6a dan timto efektem nebo se jedna o jiny
artefakt? Bylo overeno, zda tento offset zavisi na teplote, t.j. na pouzitem proudu v antene?

Cely manuscript je napsan na vysoke pedagogicke urovni a ctenar je nenasilnym zpusobem vtazen do
problemu magnonickych struktur. Prace taky otevira moznosti k alternativni detekci Damonovych-
Eshbachovych vln, ktere jsou dnes hojne vyuzivany k mereni Dzyaloshinskii-Moriya interakce. Jedna
se rozhodne o praci vysoce nadstandardni diky jeji komplexnosti, kde student ukazal, ze se dokaze
zorientovat v rychle se rozvijejici literature magnoniky, eliminovat vsechny problemy pri rustu a
litografii danych struktur, vybudovat experimentalni setup a overit veskerou funkcnost merenim
FMR spekter. Praci rozhodne doporucuji k obhajobe.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. vysledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A

Známka navržená oponentem: A