Ferromagnetic Spin Systems Probed in Millikelvin Regime Using Microwave Spectroscopy

Abstract

In this work, ferromagnetic spin systems were studied, namely Yttrium Iron Garnet (YIG) samples, by observing and characterising ferromagnetic resonance (FMR), using microwave spectroscopy. This study was performed at room temperature with a YIG sphere and thin film, where the objective was to characterise the samples and compare them to previous literature, with special attention to losses and the corresponding damping factors. The study was also performed at cryogenic temperatures with YIG samples fabricated using Plasma Focused Ion Beam (FIB) structuring and deposition, which were then placed inside an Adiabatic Demagnetization Refrigerator (ADR) and cooled down to milliKelvin temperatures. Using this fabrication technique, it was possible to remove the Gallium Gadolinium Garnet (GGG) substrate commonly used in YIG thin films, which has been shown to increase the ferromagnetic resonance linewidth at milliKelvin temperatures. Indeed, our results show that the linewidth at milliKelvin does not increase when compared to samples at 3 K.With these samples, it was also possible to test a coupling regime between a NbN superconducting resonator and the samples, where the hybrid system creates an "avoided crossing" spectrum. The spectrum obtained showed characteristics of a weakly coupled system, where the magnonic system acts as a dissipation channel for the microwave photons, due to its currently high linewidth. These novel samples, together with the study of their losses and of the hybrid system, are a relevant step for future quantum magnonics experiments.

Este trabalho envolveu o estudo de sistemas de spin ferromagnéticos, nomeadamente amostras de Yttrium Iron Garnet (YIG), através da observação e caracterização de fenómenos de ressonância ferromagnetica (FMR), utilizando espectroscopia de microondas. Este estudo foi realizado a temperatura ambiente com uma esfera e um filme fino de YIG, onde o objetivo passou por caracterizar as amostras e compará-las com resultados de literatura prévia, com especial atenção às perdas no sistema e os correspondentes fatores de amortecimento. Este estudo foi também realizado a temperaturas criogénicas com amostras de YIG fabricadas através de deposição com Plasma Focused Ion Beam (FIB), que foram posteriormente colocadas num Refrigerador de Desmagnetização Adiabática e arrefecidas até temperaturas de milliKelvin. Utilizando esta técnica de fabricação, foi possível remover o substrato de Gallium Gadolinium Garnet (GGG), utilizado em filmes finos de YIG, que aumenta a largura da curva de ressonância ferromagnética a temperaturas milliKelvin, como foi demonstrado recentemente. De facto, os resultados apresentados mostram que a largura não aumenta a temperaturas de milliKelvin quando comparado com amostras a 3 K. Foi também possível testar um regime de acoplamento entre um ressoador supercondutor e as mesmas, onde o sistema híbrido cria um fenómeno de "avoided crossing". O espectro obtido mostra características de um sistema fracamente acoplado, onde o sistema magnónico atua como um canal de dissipação para os fotões microondas. Estas amostras, juntamente com o estudo das suas características e do sistema híbrido, são um passo relevante para futuras experiências na área de magnónica quântica.