Magnetic nanopatterning of Yttrium Iron Garnet film via direct laser writing for magnonics

The field of magnonics aims to use spin waves to transmit and process information. Spin waves have several useful properties for multiplexing and wave-computing tasks, such as frequencies up to the THz regime and the dissipation due to the Joule effect. The most promising material in this field is Yttrium Iron Garnet (YIG), especially for its extremely low magnetic damping, which allows a coherent propagation of spin waves up to millimeters. Due to its complex stoichiometry and structure, it is difficult to pattern the YIG while preserving its properties using standard lithographic processes, and new techniques are required for the future realization of devices. This thesis work presents the use of the Direct Laser Writing technique, where a YIG film was directly written with a laser beam, creating patterns. Several patterns were realized on a single crystal, 1 μm thick YIG film, with diverse geometries and different writing parameters. The geometries consist in squares and dots. Multiple techniques were employed to characterize the patterns, like Kerr microscopy, Magnetic Force Microscopy and Raman spectroscopy, and the effects of the patterning on the magnetic and structural properties of the crystal were proven. Upon laser writing, new phases clearly appear on the patterned surface. In this new phases, the magnetic and structural properties of the crystal change in different ways, depending on the patterning parameters, with the magnetic domain structure being modified. Interestingly, it was also found that the patterning geometry influences the magnetic phases created by the laser writing. Finally, a magnonic crystal based on a dot lattice was fabricated, and by Brillouin Light Scattering the evident effect of the pattern on the spin wave propagation and localization was observed. Ultimately, micromagnetic simulations were also performed to gain insights into the propagation of the spin waves in such system. This thesis work opens the path towards the realization of magnonic devices based on YIG, where the magnetic properties of the material are modified by the laser patterning.

Il campo della magnonica ha come obiettivo l’utilizzo delle onde di spin per la trasmissione ed elaborazione di informazioni. Le onde di spin vantano diverse proprietà utili per processi computazionali, come frequenze fino al regime dei THz e l’assenza di dissipazione per effetto joule. Il materiale più promettente nel campo è il granato di ittrio e ferro (YIG), soprattutto grazie al damping magnetico estremamente basso, che consente una propagazione senza perdita di coerenza delle onde di spin, per dei millimetri. A causa della complessa struttura e stechiometria, è difficile preservare le proprietà dello YIG con i processi di litografia standard e nuove tecniche sono necessarie per una futura realizzazione di dispositivi. Questo lavoro di tesi presenta l’uso della tecnica della scrittura laser diretta, tramite la quale il campione viene scritto direttamente da un fascio laser, creando dei pattern. Diversi pattern sono stati realizzati su un monocristallo di YIG dello spessore di 1 μm, con diverse geometrie e parametri di scrittura. Le due geometrie consistono in quadrati e punti. Molteplici tecniche sono state utilizzate per caratterizzare i pattern, come la microscopia Kerr, microscopia a forza magnetica e spettroscopia Raman, ed è stato dimostrato che la scrittura modifica le proprietà magnetiche e strutturali del cristallo. Infatti, sulla superficie irradiata appaiono nuove fasi, le cui proprietà magnetiche e strutturali del cristallo vengono modificate in modi diversi in base ai parametri di scrittura, con la conseguente alterazione dei domini magnetici. Anche la geometria dei pattern influenza le fasi magnetiche create durante la scrittura. Infine, è stato realizzato un cristallo magnonico basato su un reticolo di punti e tramite esperimenti di Brillouin Light Scattering gli effetti del pattern sulla propagazione e localizzazione delle onde di spin sono stati osservati. Inoltre, simulazioni micromagnetiche sono state effettuate per studiare la propagazione delle onde di spin nel sistema. Questo lavoro di tesi apre la strada alla realizzazione di dispositivi magnonici, in cui le proprietà magnetiche del materiale sono modificate dalla scrittura laser.