Control of magnetism in crystalline Yttrium Iron Garnet films via direct laser nanoengineering

The direct control of spin waves lies at the core of magnon-based computing. Yttrium Iron Garnet (YIG) has gained widespread interest in the field of magnonics, given its strikingly low magnetic damping that makes it an ideal platform for the coherent propagation of spin waves. Consequently, it is crucial to achieve highly controlled, localized and stable modulations of its magnetic properties for effective spin-wave manipulation. Some chal- lenges have been encountered by conventional methods aiming to do so, failing to preserve the exceptional properties of YIG. Here, we propose two alternative methods for nanopat- terning single-crystal YIG samples with high spatial resolution. First, a continuous wave UV laser is employed to induce permanent magnetic effects in patterned geometries when focused on a 100 nm thin film, achieving two-dimensional modulations of the magnetic properties that would never be observed by any other means. Secondly, innovative three dimensional patterning capabilities have been experimentally demonstrated on two thicker samples (3 μm and 5 μm thick) employing an IR femtosecond laser, inducing confined non- linear phenomena in limited regions when tightly focused into the volume of these films. To investigate the impact of these laser-based techniques, multiple techniques have been employed to characterize both pristine and patterned regions, including Vibrating Sample Magnetometry, Kerr microscopy, and Magnetic/Atomic Force Microscopy. These single- step non-destructive laser writing techniques offer a high degree of versatility for locally tuning the magnetism of YIG nanostructures and provide promising avenue towards the development of energy-efficient and scalable magnonic devices.

Il controllo diretto delle onde di spin è un elemento centrale nell’ambito del calcolo basato su magnoni. L' Yttrium Iron Garnet (YIG) ha suscitato un ampio interesse nel campo della magnonica, grazie al suo basso damping magnetico, che lo rende una piattaforma ideale per la propagazione coerente delle onde di spin. Di conseguenza, è fondamentale ottenere modifiche delle sue proprietà magnetiche in maniera altamente controllata, lo- calizzata e stabile per una manipolazione efficace delle onde di spin. Tuttavia, i metodi tradizionali volti a questo scopo non sono particolarmente compatibili con questo ma- teriale, non riuscendo a preservare le sue eccezionali proprietà. In questo lavoro di tesi vengono quindi proposti due metodi alternativi per la nanostrutturazioe magnetica di campioni di YIG monocristallino, con elevata risoluzione spaziale. Innanzitutto, un laser UV a onda continua viene impiegato per indurre effetti magnetici permanenti in geometrie definite, quando focalizzato su un film sottile da 100, nm, ottenendo modulazioni bidi- mensionali delle proprietà magnetiche che non sarebbero mai osservabili altrimenti. In seguito, la possibilità di patterning tridimensionale è stata dimostrata sperimentalmente per la prima volta su due campioni più spessi (3, μm e 5, μm di spessore), sfruttando un laser a femtosecondi nell’infrarosso. Quest’ultimo confina l’assorbimento non lineare in regioni limitate quando il fascio è focalizzato all’interno del volume di questi film. Per indagare l’impatto di queste tecniche di scrittura laser, sono stati utilizzati diversi metodi per caratterizzare sia le regioni non scritte che quelle modificate, tra cui magnetometria a campione vibrante, microscopia Kerr e microscopia a forza magnetica/atomica. Queste tecniche di scrittura laser non distruttive e a singolo passaggio offrono un alto grado di versatilità per la modulazione locale della fase magnetica delle nanostrutture di YIG e rap- presentano un approccio promettente verso lo sviluppo di dispositivi magnonici scalabili e ad alta efficienza energetica.