Nichtreziprokale 3D-Architekturen für magnonische Funktionen

Unser Projekt, Non-Reciprocal 3D Architectures for Magnonic Functionalities, konzentriert sich speziell auf die Untersuchung neuartiger nicht-reziproker Magnon- Phänomene in 2D- und 3D-Hybridarchitekturen auf der Nanoskala und trägt direkt zur Entwicklung von nicht-reziproken Mikrowellenbauelementen und Sensoren bei. Nicht-reziproke Mikrowellenkomponenten, wie Zirkulatoren, Isolatoren und Phasenschieber, sind sowohl in heutigen Kommunikationssystemen als auch in zukünftigen Quantencomputern von unschätzbarem Wert. Ihre Fähigkeit, den Signalfluss in einer Richtung zu hemmen, während sie ihn in der umgekehrten Richtung zulassen, spielt eine entscheidende Rolle, um Mikrowellengeräte entweder vor Reflexionen zu schützen, den Sender vom Empfänger in der Radararchitektur zu isolieren oder Qubits von ihrer Umgebung abzuschirmen. Diese nicht-reziproken Funktionalitäten beruhen fast ausschließlich auf der gyrotropischen Natur der Magnetisierungsdynamik. Allerdings sind die derzeit verwendeten magnetfeldbasierten Komponenten relativ groß, off-chip, in der Anzahl begrenzt und teuer in der Montage. Diese Probleme haben in der letzten Zeit intensive Anstrengungen aus verschiedenen Forschungsbereichen ausgelöst, um miniaturisierte, nichtreziproke Technologien zu entwickeln, die mit modernen Geräten verwendeten integrierten Schaltungstechnik kompatibel sind. Unter all den möglichen Lösungen für diese Herausforderung ist der aufstrebende Bereich der Magnonik, der sich auf die Umsetzung elementarer magnetischer Anregungen, Spinwellen genannt, und deren Quantenmagneten bestens geeignet. Dieser Bereich ist auf der Jagd nach Demonstrationen von nicht-reziproker Eigenschaften, die schon vor kurzem erfolgreiche Ergebnisse lieferten. Darüber hinaus ist die Magnonik ein schnell wachsendes Feld mit vielversprechenden Möglichkeiten für neuartigeRechen- und Datenverarbeitungsansätze, verbesserte Leistungsaufnahme und erlaubt die Miniaturisierung von breitbandigen analogen Mikrowellenbauelementen mit Designs unter 100 Nanometern. Um in diese spannende Richtung voranzuschreiten, planen wir einen multidisziplinären Ansatz, der mikromagnetische Finite-Elemente-Simulationen in Kombination mit analytischen Modellen umfasst, um Architekturen mit den angestrebten Phänomenen zu finden. Diese Architekturen werden es uns ermöglichen, die oben genannten nicht-reziproken Mikrowellengeräte und Sensoren zu entwickeln. Diese werden mit Hilfe modernster Nanostrukturierungsmethoden in einer Reinraumumgebung hergestellt und mit verschiedenen komplementären experimentellen Techniken wie der optischen Spektroskopie und mittels Spinwellen-Spektroskopie bei Raum- und Tieftemperatur gemessen. Die vier Partnerteams, dieses österreichisch-französischen Kooperationsprojektes, weisen ergänzenden Kompetenzen auf und haben nachgewiesene Erfolge exzellenter wissenschaftlicher Forschung. Die französischen Teams werden von Vincent Vlaminck (Koordinator von der ANR-Seite) vom Institut Mines Télécom- Atlantique und von Yves Henry vom Institut de Physique et Chimie des Matériaux de Strasbourg geleitet. Die österreichischen Teams werden durch Andrii Chumak (Koordinator von FWF-Seite) und Dieter Suess vertreten, die jeweils eigene Forschungsgruppen an der Universität Wien leiten.

Non-reciprocal microwave components for 5G communication systems such as circulators, isolators, and phase shifters, are invaluable tools in both today's 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. 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 information and communication technology. The project was realized by four partner teams of researchers gathered around this Austrian-French collaborative project. In this project, we not only used the classical direct design approach, where a device is designed by a human for a concrete functionality, but also proposed, for the first time in the field of magnonics, the inverse design approach. In inverse design, a functionality is first defined by a human user and a computer-driven algorithm searches for a design of a device that satisfies this functionality. The project has been very fruitful and its results have been published in several dozen peer-reviewed international publications. The main achievements of this project include: (i) numerical development of reciprocal and nonreciprocal inverse-design magnonic devices; (ii) development of a micromagnetic concept based on normal modes; (iii) investigations of tension-free Dirac strings and steered magnetic charges in 3D artificial spin ice; (iv) development of a micromagnetically integrated numerical model of spin pumping based on spin diffusion; (v) realisation of an all-magnonic repeater based on bistability; (vi) numerical demonstration of a magnonic offset-free magnetic field sensor; (vii) experimental realisation of a universal inverse-design magnonic device; (viii) realisation of a YIG/CoFeB bilayer magnonic diode; (ix) inverse-design topology optimisation of magnonic devices using the level-set method; and (x) realisation of a nanoscale spin-wave frequency-selective limiter (FSL) for 5G technology. The results provide a solid basis for the realisation of future non-reciprocal magnonic devices with direct or inverse design for 5G communication systems.