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Authors: Boventer, Isabella Rahel
Title: Cavity Magnon-Polariton Spectroscopy
Online publication date: 8-Oct-2019
Language: english
Abstract: The work which has been conducted in the course of this doctoral thesis with the title “Cavity Magnon Polariton Spectroscopy” can be classified as part of the recent and active research area of cavity spintronics. Among others, cavity spintronics aims to study light-matter interaction by the examination of the properties of the cavity-magnon polariton (CMP) and harness the CMP for applications bridging concepts of cavity quantum electrodynamics (CQED) with spintronics. The CMP is the associated quasiparticle resulting from the hybridisation of strongly coupled cavity photon-magnon (quasiparticles from a collective spin excitation in a magnetic material) states. In close collaboration with co-workers from the Karlsruhe Institute for Technology (KIT) who provided for the millikelvin data at 30 mK, the work on the CMP started with conducting a study on the temperature dependence of key properties of the CMP such as the cooperativity C, that is, the coupling strength and the magnon linewidth from 30mK to 290 K. This work connects the quantum regime at millikelvin temperatures with the classical regime at room temperature and shows the persistence of the strong coupling regime, that is the existence of a coherent exchange of information, as C > 1 for the entire temperature range. However, beyond the realisation of strong coupling, real applications using CMPs require the ability to tune and control of the key property, i.e. the coupling strength reliably and reproducibly. For instance, it is necessary to switch the coherent exchange of information on and off deliberately. Therefore, as the next step, a new experimental scheme allowing such control over the coupling strength has been developed in the course of this thesis. Instead of the generally used approach of a single-tone driven CMP in the field of cavity spintronics, an approach driving the CMP with two tones is realised. The coupling strength is controlled by the relative phase and amplitude between the intracavity fields from the two inputs. It is shown that the coupling strength can be increased, decreased to zero accompanied by a strong amplitude enhancement and the decrease of the signal’s linewidth, or transferred to a regime of level merging where the coupling strength is a complex quantity. Also, that method does not require any intrusion into the experimental apparatus during measurements. Thus, by the combination of realising strong coupling and the control of the coupling of the CMP, this work contributes to cavity spintronics. Specifically, the control over the coupling strength opens an avenue for generalized control of the coupling of other solid-state polaritons towards the development of applications for data storage and information processing technologies.
Die Experimente, die im Zuge dieser Doktorarbeit mit dem Titel “Cavity Magnon-Polariton Spectroscopy” durchgeführt wurden, können in das junge und aktive Forschungsgebiet von Kavitätsspintronik eingeordnet werden. Indem die Eigenschaften von Kavität Magnon-Polaritonen (CMP) spektroskopisch untersucht werden, zielt dieser Forschungsbereich unter anderem darauf ab, dadurch ein besseres Verständnis über die Licht-Materie Wechselwirkung zu erlangen. Darüber hinaus geht es um die Frage, wie man das CMP, das das Potential hat, die Forschungsbereiche der Quantumelektrodynamik und Spintronik zu verbinden, für Anwendungen z.b. in der Informationstechnologie nutzen könnte. Das CMP stellt das assozierte Quasiteilchen, das aus der Hybridisierung von stark, resonant gekoppelten Kavitätsphotonen und Magnon resultiert, dar, wobei das Magnon selbst das Quasiteilchen einer kollektiven Spinanregung in einem magnetischen Material ist. In enger Zusammenarbeit mit Kollegen von dem Karlsruhe Institut für Technologie (KIT), welche die Messungen bei einer Temperatur von 30mK durchgeführt haben, startete die hier vorgestellte Forschung mit einer temperaturabhängigen Studie über das CMP. Im Zuge dessen wurden die zentralen Eigenschaften des CMPs, wie beispielsweise die Kooperativität C, und damit die Kopplungsstärke und Linienbreite des Magnons in einem Temperaturintervall von 30mK bis 290K untersucht. Diese Arbeit verbindet nicht nur das Quantumregime f¨ur kryogene Temperaturen im Millikelvinbereich mit dem klassischen Regime bei Raumtemperatur, sondern zeigt auch die Beständigkeit für ein Vorliegen eines stark gekoppelten CMPs mit C > 1. Dies bedeutet, dass für den gesamten untersuchten Temperaturbereich ein kohärenter Austausch von Information vorliegt. Nichtsdestotrotz, für die Entwicklung von realen Anwendungen reicht ein stark gekoppeltes System mit einem kohärenten Austausch von Information nicht aus. Vielmehr muss es auch möglich sein, diesen Informationsaustausch, der im Experiment durch die Kopplungstärke als die zentrale physikalische Größe quantifiziert wird, zu kontrollieren und nach Belieben ein- und ausstellen zu können. Deshalb wurde als nächster Schritt im Zuge dieser Doktorarbeit eine neue experimentelle Methode entwickelt, die eine derartige Kontrolle über die Kopplungsstärke zulässt. Im Forschungsbereich der Kavitätsspintronik wurden die meisten Experimente bisher mit einem CMP durchgeführt, dass mit einem einzelnen Mikrowellenton getrieben wird. Anstatt dieses alten Ansatzes, wird die Kontrolle über die Kopplungsstärke mittels eines CMPs, dass von zwei Mikrowellentönen getrieben wird, realisiert. Die Kopplungsstärke wird dabei durch die Möglichkeit, die relative Phase und das relative Amplitudenverhältnis zwischen den zeitabhängigen Magnetfeldern in der Kavität, die von den beiden eingespeisten Mikrowellentönen kommen, gezielt zu verändern, kontrolliert. Es konnte gezeigt werden, das es damit möglich ist, die Kopplungsstärke entweder zu vergrössern, auf Null zu verringern, was mit einer enormen Verstärkung der Signalamplitude und Verringerung der Linienbreite einhergeht, oder ein Regime namens “level merging” zu erreichen, wo die Kopplungstärke komplex wird. Zudem ist es mit dieser experimentellen Methode nicht notwendig, in das Experiment und dessen Einstellungen während einer Messung direkt einzugreifen. Die Ergebnisse dieser Doktorarbeit aus der Kombination einer Realisierung der starken Kopplung von Kavitätsphotonen und Magnonen mit der Kontrolle über die Kopplungsstärke des daraus resultierenden CMPs tragen damit zur Kavitätsspintronik bei. Insbesondere durch die Kontrolle über die Kopplungsstärke eröffnen sich neue Perspektiven für eine Verallgemeinerung diese Kontrolle der Kopplungsstärke auf Systeme mit anderen Festkörperpolaritonen im Hinblick neuer Anwendungen für Datenspeicherung und Informationsverarbeitung.
DDC: 530 Physik
530 Physics
Institution: Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department: FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place: Mainz
DOI: http://doi.org/10.25358/openscience-2335
Version: Original work
Publication type: Dissertation
License: in Copyright
Information on rights of use: https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent: 218 Seiten
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