Spin Wave Modulation in Antiferromagnetic Magnonic Crystals with Interfacial Dzyaloshinskii-Moriya Interaction
Master thesis
![Thumbnail](/ntnu-xmlui/bitstream/handle/11250/2610765/no.ntnu%3ainspera%3a2440426.pdf.jpg?sequence=4&isAllowed=y)
View/ Open
Date
2019Metadata
Show full item recordCollections
- Institutt for fysikk [2698]
Abstract
Framveksten av fagområdet spinntronikk har åpnet et nytt, interessant felt i fysikken fra både teoretisk og teknologisk ståsted. Motivert av muligheten for nye måter å sende, prosessere og lagre informasjon, samt nylige eksperimentelle realiseringer av denne typen systemer, velger vi å studere eksitasjonsspekteret til spinn-bølger i et vekselvirkende antiferromagnetisk gitter med en romlig modulert Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkning mellom nærmeste gitterpunkter. Denne typen modulerte systemer kalles for magnoniske krystaller.
To degenererte spinn-bølge-moder, assosiert med dekomposisjonen av det antiferromagnetiske gitteret i to separate under-gitter, kan propagere i antiferromagneter med kollineære, akse-rettede spinn. Disse to modene representerer en ny frihetsgrad som ikke finnes i konvensjonelle ladnings-baserte elektroniske systemer. Brytningen av den kombinerte tids- og inversjonssymmetrien med et eksternt magnetisk felt og den antisymmetriske Dzyaloshinskii-Moriya-interaksjonen opphever degenerasjonen i modene, og presenterer en mulighet for å kontrollere propageringen deres individuelt. Denne graden av kontroll har flere applikasjoner i det voksende feltet omkring bølge-baserte beregninger, som inkluderer blant annet spinn-bølge-filtre, danningen av spinn-polariserte strømmer, en-veis magnoniske bølgeledere og faseskiftere.
For å finne det lavfrekvente spinn-bølge-spekteret studerer vi en kontinuerlig modell, formulert ved hjelp av to passende antiferromagnetiske ordensparameter-felt. De koblede differensialligningene som beskriver den semi-klassiske dynamikken til feltene vil bli dekoblet og redusert til en enkelt ligning. Denne vil bli brukt til å utarbeide en effektiv spinn-bølge-ligning for de to antiferromagnetiske modene, som vi deretter bruker til å modellere en- og todimensjonale krystaller gjennom periodisk variasjon av styrken til Dzyaloshinskii-Moriya-vekselvirkingen. Det todimensjonale tilfellet har ikke blitt studert tidligere i det teoretiske rammeverket som presenteres her.
Spinn-bølge-dispersjonen til de magnoniske krystallene vil bli utarbeidet og diskutert, med fokus på egenskapene som gjør systemet interessant for mulige applikasjoner. The advent of spintronics has opened up a new field of physics, interesting from both a technological and theoretical viewpoint. Motivated by the possibility of novel forms of information transfer, processing and storage, along with recent experimental realizations of these spin-based systems, we study the excitation spectrum of spin waves in a antiferromagnetic bipartite lattice with spatially modulated interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction. These kinds of modulated systems are called magnonic crystals.
Collinear easy-axis antiferromagnets can support two degenerate excitation modes associated with the two sublattices of the antiferromagnetic bipartite lattice, a novel degree of freedom not present in conventional charge-based electronic systems. The combined time- and inversion-symmetry breaking in the form of a external magnetic field and the antisymmetric Dzyaloshinskii-Moriya-interaction completely lifts the degeneracy of the modes, which presents a possibility of controlling the propagation of the individual modes. This degree of control has several applications in the emerging field of wave based computing, including spin wave-filters for the creation of spin-polarized currents, one-way magnonic waveguides, phase shifters and much more.
To obtain the low-frequency spin wave spectrum, we study a continuum model formulated in terms of two convenient antiferromagnetic order parameter fields. The coupled differential equations describing their semi-classical dynamics will be decoupled and reduced to a single equation, which will be used to obtain an effective spin wave equation for the two antiferromagnetic modes. This equation will be used to model 1- and 2D magnonic crystals with periodic modulation of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction strength. The 2D case in particular has not been previously studied with the theoretical framework presented in this thesis.
The spin wave dispersion of the magnonic crystals will be obtained and discussed, with special attention directed towards the features of the dispersion which make the systems interesting for novel applications.