Nowe metody kontroli fal spinowych z wykorzystaniem strukturyzacji i złożonej geometrii nanostruktur ferromagnetycznych

Abstract

Rozprawa poświęcona jest badaniu możliwości kontrolowania fal spinowych w ferromagnetykach poprzez inżynierię struktur geometrycznych i ich wymiarowości. W oparciu o zaawansowane symulacje mikromagnetyczne (MuMax3, COMSOL Multiphysics, tetmag) omówiono wpływ różnych struktur – od jednowymiarowych macierzy nanodziur po trójwymiarowe sieci gyroidalne – na propagację, dyspersję i lokalizację fal spinowych. Po raz pierwszy teoretycznie zbadano efekt Talbota dla fal spinowych oraz wskazano jego potencjał w zastosowaniach magnonicznych. Wykazano, że precyzyjne kształtowanie geometrii umożliwia inżynierię pasmową, wzmacnianie efektów brzegowych i indukowanie powierzchniowych modów rezonansu ferromagnetycznego, przełączalnych zewnętrznym polem magnetycznym. Praca łączy teorię, modelowanie i współpracę eksperymentalną, prezentując nowe koncepcje projektowania nanostruktur o wysokiej funkcjonalności, mogących stanowić podstawę przyszłych urządzeń magnonicznych i spintronicznych o obniżonym zapotrzebowaniu energetycznym.

This dissertation explores the control of spin waves in ferromagnetic materials through the engineering of geometric structures and their dimensionality. Utilizing advanced micromagnetic simulations (MuMax3, COMSOL Multiphysics, tetmag), it examines the influence of various architectures – from one-dimensional arrays of antidots to fully three-dimensional gyroid networks – on the propagation, dispersion, and localization of spin waves. The Talbot effect for spin waves is theoretically demonstrated for the first time, highlighting its potential in magnonic computing applications. The findings show that precise geometric design facilitates band structure engineering, enhances edge-related phenomena, and enables the induction of surface-localized ferromagnetic resonance modes that can be switched by an external magnetic field. Integrating theoretical analysis, numerical modeling, and experimental collaboration, the work presents innovative strategies for designing highly functional nanostructures that could underpin next-generation magnonic and spintronic devices with significantly reduced energy demands.