In questa tesi si discute l'ingegnerizzazione del trasporto di magnoni nei film ferromagnetici imprimendo, tramite accoppiamento verticale, un’ondulazione controllata e nanometrica della magnetizzazione di equilibrio. Mediante simulazioni micromagnetiche, analisi spaziotemporale di Fourier e modelli analitici, l’ampiezza dell’ondulazione viene stabilita come nuovo grado di libertà per programmare la propagazione magnonica. Le simulazioni sono eseguite con il software MuMax3 su film di permalloy e YIG discretizzati su una griglia a differenze finite. L’accoppiamento verticale è emulato tramite campi e anisotropie spazialmente variabili definiti dall’utente. Impulsi a banda larga o drive a onda continua eccitano il sistema; le mappe di magnetizzazione risolte nel tempo sono trasformate per ottenere relazioni di dispersione e profili dei modi, fornendo un ponte quantitativo tra texture imposte e spettri. Anzitutto, sovrapponendo un campo sinusoidale a un campo uniforme si realizza un cristallo magnonico unidimensionale. La diffrazione di Bragg al bordo della zona di Brillouin solleva degenerazioni di modi attraverso un termine di Zeeman periodico. L’introduzione di un chirale rompe la simmetria di specchio nella cella primitiva e genera un notevole modo “piatto” localizzato (dispersione stazionaria) insieme a un rapporto giromagnetico efficace aumentato, indicativo di sensing magnetico compatto e memorie dinamiche coesistenti con onde propaganti. In secondo luogo, si mantiene fissata l’ampiezza sinusoidale e si varia l’angolo di ventaglio, ossia l’apertura angolare del campo locale. Questo singolo parametro riconfigura in tempo reale l'energia di Zeeman: l’ampiezza del gap a bordo zona cresce quasi quadraticamente con l’angolo di ventaglio mentre il suo centro si sposta a frequenze più basse. Ne consegue la possibilità di commutare finestre di passaggio/blocco (filtri sintonizzabili) e di instradare selettivamente l’energia tra rami e percorsi (demultiplexing selettivo). In terzo luogo, viene studiata un’eterostruttura multiferroica in cui un sovrastrato ferroelettrico trasferisce un’anisotropia uniassiale spazialmente periodica al ferromagnete tramite magnetostrizione inversa, producendo una magnetizzazione sinusoidale continua. La modulazione a tensione dell’anisotropia efficace innesca una transizione reversibile da “metallo” magnonico (senza gap, quasi lineare) a “isolante” magnonico (gap fino a ~1 GHz, parabolico). Sia la velocità di gruppo sia la massa efficace risultano ampiamente sintonizzabili; il gap cresce con l’anisotropia per poi saturare. Il formalismo di Dirac esteso ai magnoni chiarisce come l’hopping efficace e la conducibilità emergano da termini di scambio, dipolari e di anisotropia. Infine, la magnetizzazione sinusoidale a ampiezza sintonizzabile è applicata a un accoppiatore direzionale. Una modulazione periodica dell’asse facile nella regione di accoppiamento scinde, tramite interazione dipolare, il modo fondamentale di due guide d’onda adiacenti in rami simmetrici e antisimmetrici. Controllando l’ondulazione della magnetizzazione si modulano velocità di gruppo e splitting dei modi, ottenendo un controllo fine e a banda larga del trasferimento di popolazione; modelli analitici semplici catturano le tendenze osservate al variare dell’anisotropia. Nel complesso, l’ampiezza di una texture sinusoidale si configura come un grado di libertà a bassa dissipazione per programmare gap in frequenze, velocità, localizzazione e trasferimento tra condotti senza modificare il layout del dispositivo. La commutazione tra modi propaganti e stazionari, le transizioni metallo–isolante magnoniche a controllo di tensione e gli accoppiatori riconfigurabili suggeriscono applicazioni concrete nel filtraggio on-chip, nelle memorie dinamiche non volatili e nel sensing magnetico ad alta sensibilità all’interno di architetture magnoniche 3D scalabili.
This thesis develops a versatile route to engineer magnon transport in ferromagnetic films by imprinting a controlled, nanoscale undulation of the equilibrium magnetization via vertical coupling. Using micromagnetic simulations, spatiotemporal Fourier analysis, and compact analytical models, the undulation amplitude is established as a new, energy-efficient degree of freedom to program magnon propagation. Simulations are performed with the GPU-accelerated solver MuMax3 on permalloy and YIG films discretized on a finite-difference grid. Vertical coupling is emulated through user-defined spatially varying fields and anisotropies. Broadband pulses or continuous-wave drives excite the system; time-resolved magnetization maps are transformed to obtain dispersion relations and mode profiles, providing a quantitative bridge between imposed textures and spectra. First, by superimposing a sinusoidal bias field on a uniform field a one-dimensional magnonic crystal is realized. Bragg scattering at the Brillouin-zone boundary lifts mode degeneracies through a periodic Zeeman term. Introducing a chiral bias breaks mirror symmetry within the primitive cell and yields a striking localized “flat” mode (stationary dispersion) together with an enhanced effective gyromagnetic ratio—pointing to compact magnetic sensing and dynamic storage coexisting with propagating waves. Second, the sinusoidal amplitude is kept fixed and its fan angle is varied, i.e., the angular spread of the local field. This single control parameter reconfigures the periodic Zeeman landscape in real time: the bandgap at the zone boundary grows nearly quadratically with the fan angle while its center shifts to lower frequency. As a result, pass/stop windows can be toggled (tunable filters) and energy selectively routed between branches and paths (frequency-selective demultiplexing). Third, a multiferroic stack is studied in which a ferroelectric overlayer transfers a spatially periodic uniaxial anisotropy to the ferromagnet via inverse magnetostriction, producing a continuous sinusoidal magnetization. Voltage-controlled tuning of the effective anisotropy drives a reversible transition from a magnonic “metal” (gapless, nearly linear) to a magnonic “insulator” (up to ~1 GHz gap, parabolic). Both group velocity and effective mass are widely tunable; the gap increases with the anisotropy and then saturates. A Dirac-like picture for magnons clarifies how the effective hopping and conductivity emerge from exchange, dipolar, and anisotropy terms. Finally, amplitude-tunable sinusoidal magnetization is applied to a directional coupler. A periodic modulation of the easy axis in the coupling region splits the fundamental mode of two adjacent waveguides into symmetric and antisymmetric branches through dipolar interaction. By controlling the magnetization undulation, group velocities and the mode splitting are modulated, achieving fine, broadband control of population transfer; simple analytical models capture the observed trends versus the anisotropy. Overall, the amplitude of a sinusoidal texture emerges as a powerful, low-dissipation knob to program bandgaps, velocities, localization, and inter-conduit transfer without altering device layout. The demonstrated toggling between propagating and stationary modes, voltage-driven magnonic metal–insulator transitions, and reconfigurable couplers suggests concrete applications in on-chip filtering, non-volatile dynamic memories, and high-sensitivity magnetic sensing within scalable 3D-magnonic architectures.
Programming magnons through non-uniform magnetization: voltage-modulated sinusoidal textures for reconfigurable 3D Magnonics
MICALETTI, PIETRO
2026
Abstract
In questa tesi si discute l'ingegnerizzazione del trasporto di magnoni nei film ferromagnetici imprimendo, tramite accoppiamento verticale, un’ondulazione controllata e nanometrica della magnetizzazione di equilibrio. Mediante simulazioni micromagnetiche, analisi spaziotemporale di Fourier e modelli analitici, l’ampiezza dell’ondulazione viene stabilita come nuovo grado di libertà per programmare la propagazione magnonica. Le simulazioni sono eseguite con il software MuMax3 su film di permalloy e YIG discretizzati su una griglia a differenze finite. L’accoppiamento verticale è emulato tramite campi e anisotropie spazialmente variabili definiti dall’utente. Impulsi a banda larga o drive a onda continua eccitano il sistema; le mappe di magnetizzazione risolte nel tempo sono trasformate per ottenere relazioni di dispersione e profili dei modi, fornendo un ponte quantitativo tra texture imposte e spettri. Anzitutto, sovrapponendo un campo sinusoidale a un campo uniforme si realizza un cristallo magnonico unidimensionale. La diffrazione di Bragg al bordo della zona di Brillouin solleva degenerazioni di modi attraverso un termine di Zeeman periodico. L’introduzione di un chirale rompe la simmetria di specchio nella cella primitiva e genera un notevole modo “piatto” localizzato (dispersione stazionaria) insieme a un rapporto giromagnetico efficace aumentato, indicativo di sensing magnetico compatto e memorie dinamiche coesistenti con onde propaganti. In secondo luogo, si mantiene fissata l’ampiezza sinusoidale e si varia l’angolo di ventaglio, ossia l’apertura angolare del campo locale. Questo singolo parametro riconfigura in tempo reale l'energia di Zeeman: l’ampiezza del gap a bordo zona cresce quasi quadraticamente con l’angolo di ventaglio mentre il suo centro si sposta a frequenze più basse. Ne consegue la possibilità di commutare finestre di passaggio/blocco (filtri sintonizzabili) e di instradare selettivamente l’energia tra rami e percorsi (demultiplexing selettivo). In terzo luogo, viene studiata un’eterostruttura multiferroica in cui un sovrastrato ferroelettrico trasferisce un’anisotropia uniassiale spazialmente periodica al ferromagnete tramite magnetostrizione inversa, producendo una magnetizzazione sinusoidale continua. La modulazione a tensione dell’anisotropia efficace innesca una transizione reversibile da “metallo” magnonico (senza gap, quasi lineare) a “isolante” magnonico (gap fino a ~1 GHz, parabolico). Sia la velocità di gruppo sia la massa efficace risultano ampiamente sintonizzabili; il gap cresce con l’anisotropia per poi saturare. Il formalismo di Dirac esteso ai magnoni chiarisce come l’hopping efficace e la conducibilità emergano da termini di scambio, dipolari e di anisotropia. Infine, la magnetizzazione sinusoidale a ampiezza sintonizzabile è applicata a un accoppiatore direzionale. Una modulazione periodica dell’asse facile nella regione di accoppiamento scinde, tramite interazione dipolare, il modo fondamentale di due guide d’onda adiacenti in rami simmetrici e antisimmetrici. Controllando l’ondulazione della magnetizzazione si modulano velocità di gruppo e splitting dei modi, ottenendo un controllo fine e a banda larga del trasferimento di popolazione; modelli analitici semplici catturano le tendenze osservate al variare dell’anisotropia. Nel complesso, l’ampiezza di una texture sinusoidale si configura come un grado di libertà a bassa dissipazione per programmare gap in frequenze, velocità, localizzazione e trasferimento tra condotti senza modificare il layout del dispositivo. La commutazione tra modi propaganti e stazionari, le transizioni metallo–isolante magnoniche a controllo di tensione e gli accoppiatori riconfigurabili suggeriscono applicazioni concrete nel filtraggio on-chip, nelle memorie dinamiche non volatili e nel sensing magnetico ad alta sensibilità all’interno di architetture magnoniche 3D scalabili.I documenti in SFERA sono protetti da copyright e tutti i diritti sono riservati, salvo diversa indicazione.
