Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Nikolai Kuznetsov

Väitöskirjan nimi: Optical Control of Spin Waves in Hybrid Magnonic-Plasmonic Structures

Väittelijä: Nikolai Kuznetsov
Vastaväittäjä: professori Dirk Grundler, Institute of Materials and Institute of Microengineering (EPFL), Sveitsi
Kustos: professori Sebastiaan van Dijken, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu 

Nykyaikaiset teknologiat, kuten tekoäly ja nopean tiedonsiirron järjestelmät, edellyttävät nopeampia ja energiatehokkaampia tapoja käsitellä tietoa. Eräs lupaava ratkaisu on aaltoihin perustuva laskenta, jossa informaatio kulkee aaltojen, ei sähkövarausten, välityksellä. Tämä väitöskirjatutkimus keskittyy magnoniikkaan, jossa spinaaltojen kvantit eli magnonit, mahdollistavat tiedonsiirron ja -käsittelyn laajalla taajuusalueella gigahertseistä terahertseihin ilman Joulen lämmöstä johtuvia energiahäviöitä. Tehokas tiedon koodaus tällaisissa järjestelmissä vaatii spinaaltojen tarkkaa hallintaa ajassa ja paikassa. Tässä työssä tutkitaan, miten valon indusoimat kollektiiviset plasmoniresonanssit ja niistä seuraavat termoplasmoniset ilmiöt voivat manipuloida spinaaltoja hybridirakenteissa, joissa yhdistyvät magnoniikka ja plasmoniikka, tarjoten mahdollisuuden nopeaan ja korkean resoluution kontrolliin.

Keskeiset tulokset osoittavat, että termoplasmoninen lämmitys magneettisissa ohuissa kalvoissa, jotka ovat yhdistetty kultaisiin nanolevyjen joukkoihin, voi vaimentaa spinaaltojen signaaleja jopa 20 dB yhdellä laserpulssilla, joka kestää vain muutaman sadan nanosekunnin ajan. Kokeet ja mikromagneettiset simulaatiot paljastavat vahvan korrelaation plasmonisen valon absorption ja spinaaltojen hallinnan välillä. Lisäksi tutkimuksessa demonstroidaan dynaamisten magnonisten kiteiden toteutusta yhdistämällä yksiulotteisia periodisia plasmonisia raitoja magneettisiin kalvoihin. Nämä hybridirakenteet mahdollistavat säädeltävien magnonisten kiellettyjen energiavälien muodostumisen tarjoten uuden lähestymistavan spinaaltojen tarkkaan ja uudelleenkonfiguroitavaan ohjaukseen.

Nämä tulokset osoittavat termoplasmoniikan voimakkaaksi työkaluksi spinaaltojen etenemisen hallinnassa mikrometrin mittakaavassa ja alle mikrosekunnin aikaskaalassa. Yhdistämällä magnoniikkaa ja plasmoniikkaa tämä tutkimus luo perustan monitoimisille hybridilaitteille, joilla on säädettäviä ja uudelleenkonfiguroitavia toimintoja, tarjoten merkittävää potentiaalia aaltoihin perustuvassa tietojenkäsittelyssä.

Avainsanat: Magnetismi, Magnoniikka, Plasmoniikka, Magnoniplasmoniset hybridirakenteet, Spinaallot, Spinaaltojen optinen ohjaus, Pinnan hilaresonanssi, Termoplasmoninen lämmitys

Yhteystiedot: nikolai.1.kuznetsov@aalto.fi 

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc