Radiofrequency simulations of dipolar spin waves in saturated YIG

Exponential scaling of CMOS devices determined the successful growth of electronic industry in the last decades. As the scalability is now facing its limits, feasible alternatives to CMOS, that will allow further reduction of circuit dimensions, are being widely researched. Spintronic devices based on spin waves (magnons) are promising alternatives to CMOS with high potential for significant power and area reduction. Research on spin wave based devices focuses on replacing standard CMOS logic gates with spin wave based majority gates and on RF filtering applications. The design of spin-wave based devices is traditionally established on Micromagnetic simulation, getting good prediction on how spin waves propagate in magnetic media and on the dynamics of magnetization by computational solution of the LLG equation. However, this approach neglects the microwave electromagnetic analysis, resulting in the impossibility of simulating the whole spin wave system including antenna source and receiver. This work proposes an approach that combines the solution of LLG and Maxwell’s equations to simulate the complete spin wave system, within the dipolar regime limit. The simulation is performed with Ansys HFSS software, the industrial standard for high frequency electromagnetic fields computation. A method to derive spin wave dispersion relation from the computed solutions is addressed in its potentialities and limitations. The work consists of two different projects: a spin wave based device with a microstrip antenna as a source of excitation, and a spin wave bus using coplanar waveguides as source and receiver of the spin wave signal. For both, a complete analysis that includes the study of the characteristics of the propagating spin waves and of the RF properties of the system is performed. For the first design, a study device scalability and of the possible magnetic material to be integrated is conducted. For the second design, non-idealities like parasitic capacitive and inductive coupling are addressed. At last, an exploratory study of the eigen modes of magnetization in a YIG confined structure is proposed.

Lo scaling esponenziale dei dispositivi CMOS ha determinato il successo dell’industria elettronica. Lo scaling si sta tuttavia arrestando a causa di limitazioni tecnologiche, rendendo necessario lo sviluppo di una nuova tecnologia, che, co-integrata con i CMOS, permetta di ridurre ulteriormente le dimensioni dei circuiti. Tra le alternative, i dispositivi basati sulla propagazione di spin waves presentano grandi potenzialità sotto gli aspetti di scalabilità e riduzione della potenza dissipata, nelle applicazioni RF e nei circuiti logici basati su majority gates. Il design dei dispositivi di spin waves é generalmente supportato da simulazioni micro-magnetiche, che calcolano le caratteristiche delle spin waves propaganti in mezzi magnetici, attraverso la risoluzione dell’equazione LLG. Questo approccio tuttavia prescinde dall’analisi elettromagnetica del dispositivo, rendendo impossibile simulare il sistema completo di trasmettitore e ricevitore delle spin waves. Questo progetto propone, per la prima volta, un approccio per la simulazione di un dispositivo a spin wave completo, nella limitazione del regime dipolare, attraverso la risoluzione combinata delle equazioni LLG e di Maxwell. Le simulazioni sono condotte con il software Ansys HFSS, standard industriale per simulazioni elettromagnetiche ad alta frequenza. É stato sviluppato un metodo per derivare informazioni riguardo la relazione di dispersione e le componenti spettrali delle spin waves nei dispositivi simulati. Due progetti vengono proposti: un design basato sull’eccitazione di spin waves tramite l’utilizzo di una linea a microstriscia e un sistema che include linee coplanari per l’eccitazione e il rilevamento di segnali di spin waves. Per entrambi un’analisi completa del segnale di spin wave e delle proprietà RF del sistema é stato condotto. Il primo design presenta inoltre uno studio dello scaling del device e un confronto sull’utilizzo di diversi materiali magnetici. Nel secondo design vengono presentate le non idealità che si riscontrano in un dispositivo reale, come il coupling delle periferiche RF. In ultimo, é proposto uno studio esplorativo degli autovettori della magnetizzazione in una struttura a YIG confinata.