Magnonics addresses the physical properties of spin waves and utilizes them for data processing. Scalability down to atomic dimensions, operation in the GHz-to-THz frequency range, utilization of nonlinear and nonreciprocal phenomena, and compatibility with CMOS are just a few of many advantages offered by magnons. Although magnonics is still primarily positioned in the academic domain, the scientific and technological challenges of the field are being extensively investigated, and many proof-of-concept prototypes have already been realized in laboratories. This roadmap is a product of the collective work of many authors, which covers versatile spin-wave computing approaches, conceptual building blocks, and underlying physical phenomena. In particular, the roadmap discusses the computation operations with the Boolean digital data, unconventional approaches, such as neuromorphic computing, and the progress toward magnon-based quantum computing. This article is organized as a collection of sub-sections grouped into seven large thematic sections. Each sub-section is prepared by one or a group of authors and concludes with a brief description of current challenges and the outlook of further development for each research direction.

We conduct an exploration of the energy landscape of two coupled ferromagnetic layers with perpendicular-to-plane uniaxial anisotropy using finite-element micromagnetic simulations. These multilayers can be used to produce noncollinearity in spin-transfer torque magnetic random-access memory cells, which has been shown to increase the performance of this class of computer memory. We show that there exists a range of values of the interlayer exchange coupling constants for which the magnetic state of these multilayers can relax into two energy minima. The size of this region is determined by the difference in the magnitude of the layer anisotropies and is minimized when this difference is large. In this case, there is a wide range of experimentally achievable coupling constants that can produce desirable and stable noncollinear alignment. We investigate the energy barriers separating the local and global minima using string method simulations, showing that the stabilities of the minima increase with increasing difference in the anisotropy of the ferromagnetic layers. We provide an analytical solution to the location of the minima in the energy landscape of coupled macrospins, which has good agreement with our micromagnetic results for a case involving ferromagnetic layers with the same thickness and anisotropy, no demagnetization field, and large exchange stiffness. These results are important to understand how best to employ noncollinear coupling in the next generation of thin-film magnetic devices.

Abstract Quantum magnonics investigates the quantum-mechanical properties of magnons, such as quantum coherence or entanglement for solid-state quantum information technologies at the nanoscale. The most promising material for quantum magnonics is the ferrimagnetic yttrium iron garnet (YIG), which hosts magnons with the longest lifetimes. YIG films of the highest quality are grown on a paramagnetic gadolinium gallium garnet (GGG) substrate. The literature has reported that ferromagnetic resonance (FMR) frequencies of YIG/GGG decrease at temperatures below 50 K despite the increase in YIG magnetization. We investigated a 97 nm-thick YIG film grown on 500 μm-thick GGG substrate through a series of experiments conducted at temperatures as low as 30 mK, and using both analytical and numerical methods. Our findings suggest that the primary factor contributing to the FMR frequency shift is the stray magnetic field created by the partially magnetized GGG substrate. This stray field is antiparallel to the applied external field and is highly inhomogeneous, reaching up to 40 mT in the center of the sample. At temperatures below 500 mK, the GGG field exhibits a saturation that cannot be described by the standard Brillouin function for a paramagnet. Including the calculated GGG field in the analysis of the FMR frequency versus temperature dependence allowed the determination of the cubic and uniaxial anisotropies. We find that the total crystallographic anisotropy increases more than three times with the decrease in temperature down to 2 K. Our findings enable accurate predictions of the YIG/GGG magnetic systems behavior at low and ultralow millikelvin temperatures, crucial for developing quantum magnonic devices.

The efficient excitation of spin waves is a key challenge in the realization of magnonic devices. We demonstrate current-driven generation of spin waves in antiferromagnetically coupled magnetic vortices. We use time-resolved x-ray microscopy to directly image the emission of spin waves upon the application of alternating currents flowing directly through the magnetic stack. Micromagnetic simulations allow us to identify the current-driven Oersted field as the main origin of excitation, in contrast to spin-transfer torques. In our case, these internal Oersted fields have an orders of magnitude higher spin-wave excitation efficiency than commonly used stripline antennas. For magnetostrictive materials, we furthermore demonstrate that the direction of magnon propagation can be steered by increasing the excitation amplitude, which modifies the underlying magnetization profile through an additional anisotropy. The demonstrated methods allow for the efficient and tunable excitation of spin waves, marking a substantial advance concerning the design of magnonic devices.

Abstract The magnetization value and electric resistivity of the single-crystalline sample of Ni 50 Fe 19 Co 4 Ga 27 shape memory alloy were measured. The elastic modulus was determined by the Dynamic Mechanical Analysis (DMA). The characteristic temperatures of martensitic transformation (MT) of the alloy were estimated from the temperature dependences of magnetization, electric resistivity and elastic modulus. A significant disparity between MT temperatures resulting from DMA and those estimated from magnetic and resistivity measurements was discovered. It was argued that the discrepancy is caused by the non-uniform mechanical stressing of twinned single crystal by the DMA analyzer. Moreover, the DMA measurements revealed a significant decrease of the elastic modulus of twinned martensite under the applied magnetic field of 1.5 kOe. To explain this effect, the temperature-dependent Young’s modulus of twinned crystal lattice was computed. The computations showed that the experimentally observed field-induced change of the elastic modulus is caused by the stress-assisted detwinning of the crystal lattice by the applied magnetic field.