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The research aims to tackle the scaling issue of magnonic devices by developing larger, micrometer-scale spinwave demultiplexers using inverse design techniques.

June 4, 2026Open Access

Experimental realization of super-Nyquist sampling timeresolved MOKE for inverse-design magnonic demultiplexer

Key Points

The research aims to tackle the scaling issue of magnonic devices by developing larger, micrometer-scale spinwave demultiplexers using inverse design techniques.
Developed a frequency-selective demultiplexer for 3.8 GHz and 4.0 GHz in a 100 nm thick yttrium iron garnet film using adjoint level-set topology optimization.
Investigated various initialization strategies to assess the impact of geometric degrees of freedom on convergence behavior and spectral separation.
Constructed a Super-Nyquist Sampling time-resolved MOKE microscope to enable phase-resolved detection of spinwave dynamics.
The optimized structures show robust frequency-dependent signal propagation while maintaining linear excitation regimes.
Measurements confirmed the excitation of dynamic magnetization modes, validating the magnetic functionality of the structures despite challenges in achieving stable phase-resolved measurements.

Abstract

Das Feld der Magnonik untersucht die Nutzung von Spinwellen als Informationsträger für energieeffiziente Datenverarbeitung. Jüngste Fortschritte im Inverse-Design haben das Potenzial rechnergestützter Optimierungsmethoden zur Realisierung komplexer magnonischer Funktionalitäten aufgezeigt. Viele bislang vorgeschlagene Bauelemente sind jedoch auf nanoskalige Dimensionen beschränkt, die experimentell schwer zugänglich und technologisch anspruchsvoll in der Herstellung sind. Diese Arbeit adressiert dieses Skalierungsproblem, indem ein invers entworfener Spinwellen-Demultiplexer auf mikrometergroße Strukturen übertragen wird, die mit etablierten Dünnschicht-Fertigungsverfahren und optischen Charakterisierungsmethoden kompatibel sind. Mittels adjungierter Level-Set-Topologieoptimierung wird ein frequenzselektiver Demultiplexer für 3.8 GHz und 4.0 GHz in einem 100 nm dicken Yttrium-Eisen-Granat-Film im dipolaren Spinwellenregime entwickelt. Unterschiedliche Initialisierungsstrategien werden systematisch untersucht und zeigen den Einfluss geometrischer Freiheitsgrade auf das Konvergenzverhalten sowie auf die spektrale Separation. Die optimierten Strukturen weisen eine robuste frequenzabhängige Signalführung auf und verbleiben dabei im linearen Anregungsregime. Parallel dazu wird ein Super-Nyquist-Sampling zeitaufgelöstes magneto-optisches Kerr-Effekt-Mikroskop (SNS-TR-MOKE) aufgebaut und charakterisiert, um eine phasenaufgelöste Detektion der Spinwellendynamik in mikrometergroßen Bauelementen zu ermöglichen. Der Elektromagnet sowie das optische Detektionssystem werden durch Feldkalibrierung und statische MOKE-Messungen an einer CoFeB-Referenzprobe validiert. Obwohl im Rahmen dieser Arbeit keine stabilen phasenaufgelösten Messungen an strukturierten YIG-Bauelementen realisiert werden konnten, bestätigen propagierende Spinwellen-Spektroskopiemessungen die Anregung dynamischer Magnetisierungsmoden und belegen die magnetische Funktionalität der untersuchten Strukturen. Durch die Verknüpfung von Inverse-Design-Simulationen mit dem Aufbau experimenteller Infrastruktur schafft diese Arbeit eine methodische Grundlage für experimentell realisierbare, invers entworfene magnonische Bauelemente im dipolaren Regime.

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