Authors:	Cramer, Joel
Title:	Propagation, manipulation and detection of magnonic spin currents in magnetic oxides and metals
Online publication date:	5-Dec-2018
Year of first publication:	2018
Language:	english
Abstract:	In anticipation of faster and more energy-efficient information technology, the research field of magnon spintronics aims to interface established electronics or spintronics systems with spin wave (magnon) based computing. In this thesis, aspects of magnon spintronics are investigated on a basic science level to obtain a better understanding of spin transport and detection mechanisms in different types of materials. On the more applied side, concepts of active magnon propagation and detection manipulation as a basis for magnon logic operations are explored. As an essential prerequisite for magnon spintronics devices, spin information exchange via magnonic spin currents is investigated in a ferrimagnetic insulator, revealing a complex interplay of multiple competing mechanisms. In a non-local transport experiment that allows one to examine both thermally (spin Seebeck effect) and electrically (spin Hall effect) induced spin currents, it is shown that the thermal signal changes sign as a function of distance and temperature, which is partly attributable to the de-localized generation of magnons. Additionally, the spin transport mechanism in a metallic antiferromagnet is probed following an increased interest in these materials due to advantages like enhanced stability compared to ferromagnets. Performing a spin transmission experiment, a strong reduction of the spin signal is observed when long-range antiferromagnetic order is established. This effect can be explained by the opening of an antiferromagnetic magnon gap, revealing notable magnonic spin transport in the material. Since magnon spintronics aims to integrate electronics and magnonics, the efficient generation and detection of magnons by charge signals requires materials that exhibit large spin-charge interconversion. To this end, a binary alloy is developed and the spin Hall effect is studied as a function of the composition. By means of spin current injection, the alloy structure with the maximal spin Hall angle is identified. Furthermore, DC and THz spin current stimuli yield comparable results, demonstrating that existing magnon spintronics concepts can be readily transferred into the ultrafast regime. Regarding magnon logic, the active manipulation of magnon detection is explored in different multilayer systems that include a metallic ferromagnet serving as a spin current detector. In both spin pumping and non-local transport measurements a spin valve-like effect with an amplitude of up to 120% can be implemented, which can be used as a switch component. Finally, the impact of actively manipulating the magnon propagation in a ferrimagnetic insulator is investigated, showing an influence of Joule heating in addition to a significant signal modulation due to applied Oersted fields. Altogether, the results and findings presented in this thesis contribute to the key requirements for the development of magnon spintronics. The complexities of magnon propagation and detection processes are revealed and new information processing schemes are suggested, pointing towards new routes in this interesting field of research. In Erwartung schnellerer und energieeffizienterer Informationstechnologie strebt das Feld der Magnonspintronik die Verknüpfung von etablierten elektronischen oder spintronischen Systemen mit Spinwellen (Magnon) basierter Datenverarbeitung an. In dieser Arbeit werden Aspekte der Magnonspintronik auf einer grundlegenden wissenschaftlichen Ebene erforscht, um ein besseres Verständnis der Mechanismen von Spintransport und -detektion in verschiedenen Materialien zu erhalten. Weiterhin werden anwendungsorientierte Konzepte der aktiven Manipulation von Magnonpropagation und -detektion als Basis von Magnonlogik-Operationen untersucht. Als wesentliche Grundlage von magnonspintronischen Bauteilen wird der Spin-Informationsaustausch durch magnonische Spinströme in ferrimagnetischen Isolatoren analysiert, wobei eine komplexeWechselwirkung verschiedener konkurrierender Mechanismen offenbart wird. In einem nicht-lokalen Transportexperiment, dass die Untersuchung thermisch (Spin Seebeck Effekt) und elektrisch (Spin Hall Effekt) induzierter Spinströme erlaubt, wird gezeigt, dass das thermische Signal als Funktion des Abstands und der Temperatur sein Vorzeichen wechselt, was teilweise der delokalisierten Magnonerzeugung zugeschrieben werden kann. Zusätzlich wird der Spintransport-Mechanismus in einem metallischen Antiferromagneten bedingt durch ein gesteigertes Interesse in diese Materialklasse wegen vorteilhafter Eigenschaften gegenüber Ferromagneten, wie z. B. eine erhöhte Stabilität, untersucht. In einem Transmissions-Experiment zeigt sich eine starke Abnahme des Spinsignals, wenn eine langreichweite antiferromagnetische Ordnung ausbildet wird. Dieser Effekt kann durch die Öffnung einer Bandlücke für antiferromagnetische Magnonen erklärt werden, was auf einen beträchtlichen magnonischen Spintransport in diesem Material hindeutet. Da die Magnonspintronik die Verknüpfung von Elektronik und Spintronik anstrebt, werden Materialien mit hoher Spin-Ladung Interkonvertierung für die effiziente Erzeugung und Detektion von Magnonen über Ladungssignale benötigt. Hierzu wird eine binäre Legierung entwickelt und der Spin Hall Effekt als Funktion der Zusammensetzung analysiert. Durch die Injektion von Spinströmen wird die Legierungskomposition mit dem höchsten Spin Hall Winkel identifiziert. Weiterhin zeigen DC und THZ Spinstrom-Impulse vergleichbare Ergebnisse, was bedeutet, dass existierende Konzepte der Magnonspintronik auf ultraschnelle Zeitskalen übertragen werden können. Bezüglich Magnonlogik wird die aktive Manipulation der Detektion von Magnonen in Multilagensystemen untersucht, die einen metallischen Ferromagneten als Spinstromdetektor enthalten. Sowohl in Spin Pumping als auch in nicht-lokalen Transportmessungen kann ein Spin Valve ähnlicher Effekt mit einer Amplitude von bis zu 120% realisiert werden, der als Schaltelement eingesetzt werden kann. Abschließend wird die Wirkung der aktiven Manipulation der Magnonpropagation erforscht, die zusätzlich zu einer signifikanten Modulation des Signals durch Oerstedfelder die Beeinflussung durch Joulesche Wärme aufweisen. Alles in allem tragen die gezeigten Resultate und Erkenntnisse zu den Grundanforderungen der Entwicklung der Magnonspintronik bei. Die Komplexität von Magnonpropagations und -detektions Prozessen wird aufgezeigt und neue Informationsverarbeitungsschemata werden vorgeschlagen, die auf neue Wege in diesem interessanten Forschungsfeld hinweisen.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-3845
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000024133
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	IX, 189 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen