Vertically coupled magnonic waveguides

This thesis work presents a first proof of concept of a magnon-based multilayer composed by two layer of CoFeB spaced by a non-magnetic layer that exploits dynamic dipolar coupling. In previous theoretical works, alternative geometries have been investigated, showing that the dynamic dipolar interaction between the two ferromagnetic layers results in the splitting of the spin wave dispersion curve in an acoustic mode (the antysimmetric mode) and an optical one (symmetric), thus enabling,upon single frequency excitation of the system, the periodic exchange of energy between the two waveguides. Technologically this would represent the first step to the realization of a magnon-based directional coupler. In order to maximize the miniaturizability of th device, vertical coupling is now explored: in this case, the dispersion presents the additional feature of the existence of a crossing point, that leads that to the energy swap of the two modes. This thesis first describes the theoretical background at the very basis of the phenomena involved, and the experimental techniques necessary to fabricate and characaterize it. Then, the simulation and the optimization campaign of the device is presented, in addition to the presentation of an estimation model to predict experimental results.The last chapter of the thesis is then devolved to the description of the fabrication process, together with the presentation of the VNA results, the description of the data-processing routine and the physical interpretation by comparison with simulations results.

Questo lavoro di tesi presenta un primo prototipo di un dispositivo multistrato che sfrutta i magnoni composto da due strati di CoFeB separati da uno strato di materiale non magnetico che sfrutta l'accoppiamento dipolare dinamico. In pubblicazioni teoriche precedenti, geometrie alternative sono state investigate, mostrando che l'interazione dipolare dinamic tra due strati ferromagnetici comporta la separazione della relazione di dispersion associata alle onde di spin in un modo acustico (il modo antisimmetrico), e in uno ottico (simmetrico), rendendo così possibile, tramite eccitazione monocromatica del sistema, lo scambio periodico di energia tra le due guide d'onda. Tecnologicamente questo rappresenta il primo passo verso la realizzazione di un accoppiatore direzionale interamente basato sui magnoni. In modo da massimizzare la miniaturizzabilità del dispositivo, l'accoppiamento verticale è ora esplorato: in questo caso, la relazione di dispersione presenta la caratteristica aggiuntiva dell'esistenza di un punto di intersezione, che porta allo scambio energertico delle due bande. Questa tesi descrive il background teorico alla base del fenomeno coinvolto, e le tecniche sperimentali necessarie per fabbricare e caratterizzarlo. Successivamente, le campagne di simulazioni e ottimizzatione del disposistivo sono presentate, in aggiunta alla presentazione di un modello di predizione per stimare i risultati sperimentali. L'ultimo capitolo della tesi è invece dedicato alla descrizione del processo di fabbricazione, insieme alla presentazione dei risultati VNA, la descrizione della routine di data-processing e l'interpretazione fisica tramite confronto con i risultati delle simulazioni.