Magnonics is a young field of research and technology emerging at the interfaces between the study of spin dynamics, on the one hand, and a number of other fields of nanoscale science and technology, on the other. We review the foundations and recent achievements in magnonics in view of guiding further progress from studying fundamental magnonic phenomena towards applications. We discuss the major challenges that have to be addressed in future research in order to make magnonics a pervasive technology.

We report on zero-field spin splitting of two-dimensional electron systems. Though absent in the unbiased InAs square asymmetric quantum well (SAQW), the Rashba splitting becomes pronounced by applying a positive back-gate voltage. In our SAQW, the Rashba parameter alpha increases with electron density and is tuned by a factor of about 2 using an additional front gate without charging the well. We argue that the band-edge profile provides the important contribution for spin-orbit interaction due to barrier penetration of the envelope wave function. This mechanism can provide the potential for high speed implementation in spintronics.

Abstract Magnetic nanostructures have long been in the focus of intense research in the magnetic storage industry. For data storage the nonvolatility of magnetic states is of utmost relevance. As information technology generates the need for higher and higher data‐transfer rates, research efforts have moved to understand magnetization dynamics. Here, spin waves and their particle‐like analog, magnons, are increasingly attracting interest. High‐quality nanopatterned magnetic media now offer new ways to transmit and process information without moving electrical charges. This new functionality is enabled by spin waves. They are confined by novel functioning principles, which render them especially suitable to operate at the nanoscale. Magnonic crystals are expected to provide full control of spin waves, similarly to what photonic crystals already do for light. Combined with nonvolatility, multifunctional metamaterials might be formed. We report recent advances in this rapidly increasing research field called magnonics.

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.

Wave control in the solid state has opened new avenues in modern information technology. Surface-acoustic-wave-based devices are found as mass market products in 100 millions of cellular phones. Spin waves (magnons) would offer a boost in today's data handling and security implementations, i.e., image processing and speech recognition. However, nanomagnonic devices realized so far suffer from the relatively short damping length in the metallic ferromagnets amounting to a few 10 micrometers typically. Here we demonstrate that nm-thick YIG films overcome the damping chasm. Using a conventional coplanar waveguide we excite a large series of short-wavelength spin waves (SWs). From the data we estimate a macroscopic of damping length of about 600 micrometers. The intrinsic damping parameter suggests even a record value about 1 mm allowing for magnonics-based nanotechnology with ultra-low damping. In addition, SWs at large wave vector are found to exhibit the non-reciprocal properties relevant for new concepts in nanoscale SW-based logics. We expect our results to provide the basis for coherent data processing with SWs at GHz rates and in large arrays of cellular magnetic arrays, thereby boosting the envisioned image processing and speech recognition.

Magnetic materials hosting correlated electrons play an important role for information technology and signal processing. The currently used ferro-, ferri- and antiferromagnetic materials provide microscopic moments (spins) that are mainly collinear. Recently more complex spin structures such as spin helices and cycloids have regained a lot of interest. The interest has been initiated by the discovery of the skyrmion lattice phase in non-centrosymmetric helical magnets. In this review we address how spin helices and skyrmion lattices enrich the microwave characteristics of magnetic materials. When discussing perspectives for microwave electronics and magnonics we focus particularly on insulating materials as they avoid eddy current losses, offer low spin-wave damping, and might allow for electric field control of collective spin excitations. Thereby, they further fuel the vision of magnonics operated at low energy consumption.

Abstract The transition from planar (2D) to three-dimensional (3D) magnetic nanostructures represents a significant advancement in both fundamental research and practical applications, offering vast potential for next-generation technologies like ultrahigh-density storage, memory, logic, and neuromorphic computing. Despite being a relatively new field, the emergence of 3D nanomagnetism presents numerous opportunities for innovation, prompting the creation of a comprehensive roadmap by leading international researchers. This roadmap aims to facilitate collaboration and interdisciplinary dialogue to address challenges in materials science, physics, engineering, and computing.
The roadmap comprises eighteen sections, roughly divided into three parts. The first section explores the fundamentals of 3D nanomagnetism, focusing on recent trends in fabrication techniques and imaging methods crucial for understanding complex spin textures, curved surfaces, and small-scale interactions. Techniques such as two-photon lithography and focused electron beam-induced deposition enable the creation of intricate 3D architectures, while advanced imaging methods like electron holography and Lorentz electron Ptychography provide sub-nanometer resolution for studying magnetization dynamics in three dimensions. Various 3D magnetic systems, including coupled multilayer systems, artificial spin ice, magneto-plasmonic systems, topological spin textures, and molecular magnets, are discussed.
The second section introduces analytical and numerical methods for investigating 3D nanomagnetic structures and curvilinear systems, highlighting geometrically curved architectures, interconnected nanowire systems, and other complex geometries. Finite element methods are emphasized for capturing complex geometries, along with direct frequency domain solutions for addressing magnonic problems.
The final section focuses on 3D magnonic crystals and networks, exploring their fundamental properties and potential applications in magnonic circuits, memory, and spintronics. Computational approaches using 3D nanomagnetic systems and complex topological textures in 3D spintronics are highlighted for their potential to enable faster and more energy-efficient computing.

Abstract Nonlinearity of dynamic systems plays a key role in neuromorphic computing, which is expected to reduce the ever-increasing power consumption of machine learning and artificial intelligence applications. For spin waves (magnons), nonlinearity combined with phase coherence is the basis of phenomena like Bose–Einstein condensation, frequency combs, and pattern recognition in neuromorphic computing. Yet, the broadband electrical detection of these phenomena with high-frequency resolution remains a challenge. Here, we demonstrate the generation and detection of phase-coherent nonlinear magnons in an all-electrical GHz probe station based on coplanar waveguides connected to a vector network analyzer which we operate in a frequency-offset mode. Making use of an unprecedented frequency resolution, we resolve the nonlocal emergence of a fine structure of propagating nonlinear magnons, which sensitively depends on both power and a magnetic field. These magnons are shown to maintain coherency with the microwave source while propagating over macroscopic distances. We propose a multi-band four-magnon scattering scheme that is in agreement with the field-dependent characteristics of coherent nonlocal signals in the nonlinear excitation regime. Our findings are key to enable the seamless integration of nonlinear magnon processes into high-speed microwave electronics and to advance phase-encoded information processing in magnonic neuronal networks.