Non-Reciprocal 3D Architectures for Magnonic Functionalities

Our project, Non-Reciprocal 3D Architectures for Magnonic Functionalities, focuses specifically on the investigation of novel non-reciprocal magnon phenomena in 2D and 3D hybrid architectures at the nanoscale and contributes directly to the development of non - reciprocal microwave devices and sensors. Non-reciprocal microwave components such as circulators, isolators, and phase shifters, are invaluable tools in both todays communication systems and future quantum computers. Their ability to inhibit signal flow in one direction while allowing it in the reverse direction plays a crucial role in either protecting microwave devices from reflections, isolating the transmitter from the receiver in radar architecture, or shielding qubits from their environment. These non-reciprocal functionalities rely almost entirely on the gyrotropic nature of the magnetization dynamics. However, the current magnetic field-based components in-use tend to be relatively large, off-chip, limited in number, and costly to assemble. These issues have recently triggered intensive efforts from various fields o f research to develop miniaturized non-reciprocal technologies compatible with used in modern devices integrated circuit technology. Among all the potential solutions for this challenge, the emerging field of magnonics, which focuses on the implementation of elementary magnetic excitations called spin waves and their quanta magnons for unconventional electronic applications, is well engaged in the hunt with several recent demonstrations of non-reciprocal properties. Furthermore, magnonics is a fast-growing field with promising potentialities for novel computing and data processing approaches, improved power consumption performances, and the downscaling of broadband microwave analog devices with feature-size designs below 100 nanometers integrable in ICT. In order to advance in this exciting direction, we plan to employ a complete and multidisciplinary approach encompassing finite element micromagnetic simulations combined with analytical models to find architectures with the targeted phenomena. These architectures will allow us to develop the aforementioned non-reciprocal microwave devices and sensors. These will be fabricated using state of the art nano-patterning methods in a clean room environment and will be measured via different complementary experimental techniques such as optical spectroscopy and propagating spin-wave spectroscopy at room and low temperatures. The four Partner Teams of researchers gathered around this Austrian-French collaborative project constitute a rich panel of complementary skil ls with proven track records of excellent scientific research. The French Teams are led by Vincent Vlaminck (coordinator from the ANR side) from the Institut Mines Telecom- Atlantique and by Yves Henry from the Institut de Physique et Chimie des Materiaux de Strasbourg. The Austrian Teams are represented by Andrii Chumak (coordinator from the FWF side) and by Dieter Suess, each leading separate research groups at the University of Vienna.

Nichtreziproke Mikrowellenkomponenten für 5G-Kommunikationssysteme wie Zirkulatoren, Isolatoren und Phasenschieber sind sowohl in heutigen Kommunikationssystemen als auch in zukünftigen Quantencomputern von unschätzbarem Wert. Ihre Fähigkeit, den Signalfluss in eine Richtung zu blockieren und in die entgegengesetzte Richtung zuzulassen, spielt eine entscheidende Rolle, um entweder Mikrowellengeräte vor Reflexionen zu schützen, den Sender vom Empfänger in der Radararchitektur zu isolieren oder Qubits von ihrer Umgebung abzuschirmen. Unter den verschiedenen Lösungsansätzen für diese Herausforderung ist das aufstrebende Forschungsfeld der Magnonik durch mehrere aktuelle Demonstrationen nichtreziproker Eigenschaften stark in die Suche eingebunden. Magnonik konzentriert sich auf die Nutzung elementarer magnetischer Anregungen - sogenannter Spinwellen - und ihrer Quantenäquivalente, der Magnonen, für unkonventionelle elektronische Anwendungen. Darüber hinaus ist die Magnonik ein schnell wachsendes Feld mit vielversprechenden Möglichkeiten für neuartige Ansätze in der Datenverarbeitung und dem Computing, eine verbesserte Energieeffizienz sowie die Miniaturisierung breitbandiger mikrowellenbasierter Analoggeräte mit Strukturgrößen unter 100 Nanometern, die sich in moderne Informations- und Kommunikationstechnologien integrieren lassen. Das Projekt wurde von vier Forscherteams durchgeführt, die sich im Rahmen dieses österreichisch-französischen Kooperationsprojekts zusammengeschlossen haben. Bei diesem Projekt haben wir nicht nur den klassischen direkten Designansatz verwendet, bei dem ein Gerät von einem Menschen für eine konkrete Funktionalität entworfen wird, sondern auch erstmals im Bereich der Magnonik den inversen Designansatz vorgeschlagen. Beim inversen Design wird eine Funktionalität zunächst von einem menschlichen Benutzer definiert und ein computergesteuerter Algorithmus sucht nach einem Gerätedesign, das diese Funktionalität erfüllt. Das Projekt war sehr erfolgreich und die Ergebnisse wurden in mehreren Dutzend internationalen, von Experten begutachteten Publikationen veröffentlicht. Zu den wichtigsten Errungenschaften dieses Projekts gehören: (i) die numerische Entwicklung von reziproken und nicht-reziproken inversen magnonischen Geräten; (ii) die Entwicklung eines mikromagnetischen Konzepts auf der Grundlage von Normalmoden; (iii) die Untersuchung spannungsfreier Dirac-Strings und gesteuerter magnetischer Ladungen in künstlichem 3D-Spin-Eis; (iv) die Entwicklung eines mikromagnetisch integrierten numerischen Modells des Spin-Pumpens auf der Grundlage der Spin-Diffusion; (v) die Realisierung eines vollständig magnonischen Repeaters auf der Grundlage von Bistabilität; (vi) die numerische Demonstration eines magnonischen Offset-freien Magnetfeldsensors; (vii) experimentelle Realisierung eines universellen magnonischen Inverse-Design-Geräts; (viii) Realisierung einer magnonischen YIG/CoFeB-Doppelschichtdiode; (ix) Inverse-Design-Topologieoptimierung von magnonischen Geräten unter Verwendung der Level-Set-Methode; und (x) Realisierung eines nanoskaligen Spinwellen-Frequenzselektivbegrenzers (FSL) für die 5G-Technologie. Die Ergebnisse bilden eine solide Grundlage für die Realisierung zukünftiger nicht-reziproker magnonischer Geräte mit direktem oder inversem Design für 5G-Kommunikationssysteme.