Nanoscale spin-waves based platforms for magnon computing

In recent years, one of the major technological challenges consists in finding alternative routes to the well-established computational paradigm based on silicon and electrons transport. Indeed, the corresponding CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) technology is close to its fundamental limits, inherently related to the scaling of the devices in modern architectures, and to power dissipation issues and leakage currents. A big deal of interest inspires the scientific community in uncovering beyond-CMOS technologies able to overcome the current constraints. Among the emerging proposals, spin waves, namely the collective excitations of spin systems, offer several advantages, such as the absence of parasitic ohmic losses, frequencies up to the THz regime, and the possibility of designing analog-based platforms. Broadly speaking, the idea of optically-inspired devices, wherein the information is processed via the controlled interference of wavefronts, promises significant improvements for data encoding and their manipulation in several digital tasks. Although different fields of physics are already pursuing this scope, nowadays photonics represents the state-of-the-art. However, the main criticality related to the use of light resides in the centimetre-long wavelength of the electromagnetic radiation in the GHz and THz range, which forbids the miniaturization of photonic components. On the contrary, within the same frequencies, the sub-micrometre spin waves wavelength effectively paves the way towards analog computing. To this purpose, in the first part of the present work, resulting from an international collaboration among United States (CUNY-Advanced Science Research Center), Italy (Politecnico di Milano and Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia), and Switzerland (Paul Sherrer Institut), an optically-inspired platform has been realized, where magnetic domain walls are exploited as spin waves emitters (magnonic nanoantennas). The versatility of thermally assisted magnetic - Scanning Probe Lithography (tam-SPL), employed for magnetic patterning of arbitrarily shaped spin configurations, together with the distinctive magnetic properties of Synthetic Antiferromagnets (SAF), for the first time allowed the excitation and control of spin waves with nanometre wavelengths and ad hoc engineered wavefronts. Especially, the combined action of tam-SPL and the non-reciprocal nature of propagating modes in SAF, has made possible both to achieve robust interference patterns and to generate linear, radial, convex and concave wavefronts. The latter experimental evidence is an indicative example of how the hosts of spin waves can influence their behaviour. In this regard, the second part of the thesis, which has arisen as a collaboration between Chile and Italy, has concerned the designing of an unconventional one-dimensional magnonic crystal, wherein a periodic spatial variation of the Dzyaloshinsky-Moriya interaction (DMI) defines the magnetic landscape. Though the aforementioned antisymmetric coupling is widely studied in literature, magnonic devices which take advantage of the DMI have not been realized yet. In virtue of the restrictive geometrical constraints, each fabrication stage has been singularly addressed and optimized, leading to magnonic crystals with a DMI modulation characterized by a period of 200 nm. The subsequent Brillouin Light Scattering (BLS) measurements have proved the theoretical predictions. A peculiar trend of the magnonic band structure has been ascertained, with a 1 GHz gap opening up between the lowest-lying frequency bands, and a localized mode related to a flat-band condition has been observed.

Una delle principali sfide tecnologiche dell’era moderna consiste nel trovare alternative valide al paradigma computazionale vigente incentrato sul silicio e sul trasporto di elettroni. La relativa tecnologia CMOS (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) è infatti sempre più prossima al raggiungimento dei sui limiti fondamentali, intrinsecamente legati alla miniaturizzazione dei componenti nelle attuali architetture elettroniche, e a problemi di dissipazione di potenza e di correnti di perdita. Un grande interesse alimenta perciò la comunità scientifica nel ricercare soluzioni post-CMOS in grado di superarne i vincoli attuali. Tra le proposte emergenti, l’uso di onde di spin, ossia eccitazioni collettive di sistemi che presentano un ordinamento magnetico, come vettori di informazione offre significativi vantaggi, quali l’assenza di dissipazione di energia per effetto Joule, la fattibilità di lavorare a frequenze fino ai THz, e, soprattutto, la possibilità di progettare piattaforme basate su computazione analogica. L’idea di dispositivi integrati inspirati all’ottica classica, dove l’informazione viene processata mediante l’interferenza controllata di fronti d’onda, promette infatti grandi miglioramenti nella codifica e nell’elaborazione di dati in molte applicazioni digitali. Sebbene diversi campi della fisica siano già indirizzati verso il suddetto obiettivo, la fotonica ad oggi rappresenta lo stato dell’arte da un punto di vista applicativo. Tuttavia, la principale difficoltà relativa all’impiego concreto della luce risiede nella lunghezza d’onda della radiazione elettromagnetica nei GHz e THz (dell’ordine del centimetro), che impedisce la miniaturizzazione dei componenti necessari per manipolare l’informazione. Di contro, nello stesso range di frequenze, la lunghezza d’onda (sub-micrometrica) delle onde di spin apre effettivamente la strada verso concreti sviluppi nel settore del calcolo analogico. A tale proposito, nella prima parte di questo lavoro di tesi, frutto di una collaborazione internazionale tra Stati Uniti (CUNY-Advanced Science Research Center), Italia (Politecnico di Milano e Dipartimento di Fisica e Geologia dell’Università di Perugia), e Svizzera (Paul Sherrer Institut), è stata realizzata sperimentalmente una piattaforma che implementa approcci simili all’ottica, e che sfrutta pareti di dominio magnetiche come emettitori di onde di spin (nanoantenne magnoniche). La versatilità della tecnica thermally assisted magnetic - Scanning Probe Lithography (tam-SPL), impiegata per il patterning magnetico di configurazioni di spin arbitrarie, unitamente alle caratteristiche magnetiche distintive di eterostrutture basate su Antiferromagneti Sintetici (SAF), ha permesso per la prima volta di eccitare onde di spin con lunghezze d’onda nanometriche, e di ingegnerizzarne ad hoc i fronti d’onda. In particolare, la flessibilità e la stabilità del sistema investigato, hanno consentito di ottenere figure di interferenza robuste, e di generare fronti d’onda lineari, radiali, convessi e concavi, sfruttando la combinazione della tecnica tam-SPL e la natura non-reciproca dei modi viaggianti nei SAF. Quest’ultima evidenza rappresenta un esempio significativo di come la scelta del supporto determini sostanzialmente il comportamento delle onde di spin che vi si propagano internamente. A questo riguardo, la seconda parte del presente lavoro, anch’essa risultato di una collaborazione tra Cile e Italia, concerne la progettazione di un cristallo magnonico monodimensionale basato su un concetto innovativo, ovvero contraddistinto da una modulazione spaziale periodica dell’interazione Dzyaloshinsky-Moriya (DMI). Sebbene il suddetto accoppiamento antisimmetrico sia largamente studiato in letteratura, dispositivi magnonici che sfruttano DMI non sono ancora mai stati realizzati. In virtù degli stringenti requisiti geometrici, ogni fase della fabbricazione è stata singolarmente pianificata, ed il processo ottimizzato ha condotto a cristalli dove la DMI viene modulata con un periodo di 200 nm. Le successive misure di Brillouin Light Scattering (BLS) hanno confermato le previsioni teoriche, cioè un andamento peculiare della struttura a bande del sistema, che presenta una gap di circa 1 GHz tra le due bande a frequenze minori, e un modo localizzato che non disperde (condizione di banda piatta).