Magnonic phase shifters for spin based logic devices

This thesis work presents a first proof of concept of a novel spin wave device based on a Y3Fe5O12 (YIG) waveguide with a Ni20Fe80 (permalloy-Py) structure placed on top of it, separated from the waveguide by a non magnetic layer. By changing the micromagnetic configuration on the Py structure, the magnetic landscape perceived by a spin wave trav- elling in the YIG waveguide changes and, with it, so are expected to do the phase and the amplitude of the wave. Accordingly, the device can be used to implement a phase shifter or a frequency filter. The micromagnetic configuration of the permalloy can be easily reconfigured and its impact on the YIG magnetization is achieved through the dipolar coupling of the two magnetic layers. It follows that this does not involve any structural change of the waveguide itself, thus providing and effective way of modulating the prop- agation characteristics of a spin wave, without giving up on the long propagation length allowed by YIG. This thesis first describes the theoretical background at the basis of the phenomena involved in the proposed device, and the experimental techniques necessary to produce it and characterize it. A static and dynamic simulation study of two possible device layouts is then presented. In conclusion, the fabrication and characterization of a first device made of a square Py ring on top of a 2μm wide YIG conduit is described. Brillouin light scattering experiments show a sizable modification of spin wave propaga- tion induced by the Py ring, with a clear band-pass filtering behaviour.

Questo lavoro di tesi presenta un primo prototipo per un nuovo tipo di device per onde di spin. Questo device si basa su una guida d’onda realizzata in Y3Fe5O12 (YIG) con una struttura di Ni20Fe80 (permalloy-Py) posizionata sopra, separata dalla guida da uno strato di materiale non magnetico. Cambiando la configurazione micromagnetica della struttura di Py, l’intorno magnetico percepito da un’onda di spin che viaggia nella guida di YIG cambia e, con esso, anche la fase e l’ampiezza dell’onda ci si aspetta cambino. Di conseguenza, il device può essere usato per implementare un phase shifter o un filtro in frequenza. La configurazione micromagnetica del permalloy può essere facilmente riconfig- urata, e il suo impatto sulla magnetizzazione dello YIG avviene attraverso l’accoppiamento dipolare dei due strati magnetici. Ne consegue che questo non comporta alcun cambia- mento strutturale della guida d’onda stessa, offrendo quindi un modo efficace per mod- ulare le caratteristiche di propagazione di un’onda di spin, senza rinunciare alla grande lunghezza di propagazione consentita dallo YIG. In questa tesi si descrivono per prima cosa la teoria alla base dei fenomeni fisici coinvolti nel funzionamento di questo dispositivo, e le tecniche sperimentali necessarie per produrlo e caratterizzarlo. Uno studio simulativo statico e dinamico di due possibili layout del dispositivo viene poi presentato. In conclu- sione, vengono descritti la fabbricazione e cartterizzazione di un primo dispositivo, fatto da un anello di Py quadrato posto sopra ad un condotto di YIG largo 2μm. Esperimenti di Brillouin light scattering mostrano una considerevole modifica della propagazione delle onde di spin indotta dall’anello di Py, che mostra un chiaro comportamento da filtro passa-banda.