We demonstrate the electrical detection of magnon–magnon hybrid dynamics in yttrium iron garnet/Permalloy (YIG/Py) thin film bilayer devices. Direct microwave current injection through the conductive Py layer excites the hybrid dynamics consisting of the uniform mode of Py and the first standing spin wave (n =1) mode of YIG, which are coupled via interfacial exchange. Both the two hybrid modes, with Py- or YIG-dominated excitations, can be detected via the spin rectification signals from the conductive Py layer, providing phase resolution of the coupled dynamics. The phase characterization is also applied to a nonlocally excited Py device, revealing the additional phase shift due to the perpendicular Oersted field. Our results provide a device platform for exploring hybrid magnonic dynamics and probing their phases, which are crucial for implementing coherent information processing with magnon excitations.

1.
H.
Huebl
,
C. W.
Zollitsch
,
J.
Lotze
,
F.
Hocke
,
M.
Greifenstein
,
A.
Marx
,
R.
Gross
, and
S. T. B.
Goennenwein
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
127003
(
2013
).
2.
Y.
Tabuchi
,
S.
Ishino
,
T.
Ishikawa
,
R.
Yamazaki
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
083603
(
2014
).
3.
X.
Zhang
,
C.-L.
Zou
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
156401
(
2014
).
4.
M.
Goryachev
,
W. G.
Farr
,
D. L.
Creedon
,
Y.
Fan
,
M.
Kostylev
, and
M. E.
Tobar
,
Phys. Rev. Appl.
2
,
054002
(
2014
).
5.
B.
Bhoi
,
T.
Cliff
,
I. S.
Maksymov
,
M.
Kostylev
,
R.
Aiyar
,
N.
Venkataramani
,
S.
Prasad
, and
R. L.
Stamps
,
J. Appl. Phys.
116
,
243906
(
2014
).
6.
Y.
Tabuchi
,
S.
Ishino
,
A.
Noguchi
,
T.
Ishikawa
,
R.
Yamazaki
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
,
Science
349
,
405
(
2015
).
7.
X.
Zhang
,
C.-L.
Zou
,
N.
Zhu
,
F.
Marquardt
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
,
Nat. Commun.
6
,
8914
(
2015
).
8.
L.
Bai
,
M.
Harder
,
Y. P.
Chen
,
X.
Fan
,
J. Q.
Xiao
, and
C.-M.
Hu
,
Phys. Rev. Lett.
114
,
227201
(
2015
).
9.
D.
Lachance-Quirion
,
Y.
Tabuchi
,
S.
Ishino
,
A.
Noguchi
,
T.
Ishikawa
,
R.
Yamazaki
, and
Y.
Nakamura
,
Sci. Adv.
3
,
e1603150
(
2017
).
10.
L.
Bai
,
M.
Harder
,
P.
Hyde
,
Z.
Zhang
,
C.-M.
Hu
,
Y. P.
Chen
, and
J. Q.
Xiao
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
217201
(
2017
).
11.
M.
Harder
,
Y.
Yang
,
B. M.
Yao
,
C. H.
Yu
,
J. W.
Rao
,
Y. S.
Gui
,
R. L.
Stamps
, and
C.-M.
Hu
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
137203
(
2018
).
12.
Y.
Li
,
T.
Polakovic
,
Y.-L.
Wang
,
J.
Xu
,
S.
Lendinez
,
Z.
Zhang
,
J.
Ding
,
T.
Khaire
,
H.
Saglam
,
R.
Divan
,
J.
Pearson
,
W.-K.
Kwok
,
Z.
Xiao
,
V.
Novosad
,
A.
Hoffmann
, and
W.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
107701
(
2019
).
13.
J. T.
Hou
and
L.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
107702
(
2019
).
14.
L.
McKenzie-Sell
,
J.
Xie
,
C.-M.
Lee
,
J. W. A.
Robinson
,
C.
Ciccarelli
, and
J. A.
Haigh
,
Phys. Rev. B
99
,
140414
(
2019
).
15.
D.
Lachance-Quirion
,
S. P.
Wolski
,
Y.
Tabuchi
,
S.
Kono
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
,
Science
367
,
425
(
2020
).
16.
A.
Osada
,
R.
Hisatomi
,
A.
Noguchi
,
Y.
Tabuchi
,
R.
Yamazaki
,
K.
Usami
,
M.
Sadgrove
,
R.
Yalla
,
M.
Nomura
, and
Y.
Nakamura
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
223601
(
2016
).
17.
X.
Zhang
,
N.
Zhu
,
C.-L.
Zou
, and
H. X.
Tang
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
123605
(
2016
).
18.
X.
Zhang
,
C.-L.
Zou
,
L.
Jiang
, and
H. X.
Tang
,
Sci. Adv.
2
,
e1501286
(
2016
).
19.
K.
An
,
A. N.
Litvinenko
,
R.
Kohno
,
A. A.
Fuad
,
V. V.
Naletov
,
L.
Vila
,
U.
Ebels
,
G.
de Loubens
,
H.
Hurdequint
,
N.
Beaulieu
,
J.
Ben Youssef
,
N.
Vukadinovic
,
G. E. W.
Bauer
,
A. N.
Slavin
,
V. S.
Tiberkevich
, and
O.
Klein
,
Phys. Rev. B
101
,
060407
(
2020
).
20.
C.
Zhao
,
Y.
Li
,
Z.
Zhang
,
M.
Vogel
,
J. E.
Pearson
,
J.
Wang
,
W.
Zhang
,
V.
Novosad
,
Q.
Liu
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
054032
(
2020
).
21.
S.
Klingler
,
V.
Amin
,
S.
Geprägs
,
K.
Ganzhorn
,
H.
Maier-Flaig
,
M.
Althammer
,
H.
Huebl
,
R.
Gross
,
R. D.
McMichael
,
M. D.
Stiles
,
S. T. B.
Goennenwein
, and
M.
Weiler
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
127201
(
2018
).
22.
J.
Chen
,
C.
Liu
,
T.
Liu
,
Y.
Xiao
,
K.
Xia
,
G. E. W.
Bauer
,
M.
Wu
, and
H.
Yu
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
217202
(
2018
).
23.
H.
Qin
,
S. J.
Hämäläinen
, and
S.
van Dijken
,
Sci. Rep.
8
,
5755
(
2018
).
24.
Y.
Li
,
W.
Cao
,
V. P.
Amin
,
Z.
Zhang
,
J.
Gibbons
,
J.
Sklenar
,
J.
Pearson
,
P. M.
Haney
,
M. D.
Stiles
,
W. E.
Bailey
,
V.
Novosad
,
A.
Hoffmann
, and
W.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
117202
(
2020
).
25.
Y.
Fan
,
P.
Quarterman
,
J.
Finley
,
J.
Han
,
P.
Zhang
,
J. T.
Hou
,
M. D.
Stiles
,
A. J.
Grutter
, and
L.
Liu
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
061002
(
2020
).
26.
Y.
Xiong
,
Y.
Li
,
M.
Hammami
,
R.
Bidthanapally
,
J.
Sklenar
,
X.
Zhang
,
H.
Qu
,
G.
Srinivasan
,
J.
Pearson
,
A.
Hoffmann
,
V.
Novosad
, and
W.
Zhang
,
Sci. Rep.
10
,
12548
(
2020
).
27.
Y.
Xiong
,
Y.
Li
,
R.
Bidthanapally
,
J.
Sklenar
,
M.
Hammami
,
S.
Hall
,
X.
Zhang
,
P.
Li
,
J. E.
Pearson
,
T.
Sebastian
,
G.
Srinivasan
,
A.
Hoffmann
,
H.
Qu
,
V.
Novosad
, and
W.
Zhang
,
IEEE Trans. Magn.
57
,
1
(
2021
).
28.
D.
MacNeill
,
J. T.
Hou
,
D. R.
Klein
,
P.
Zhang
,
P.
Jarillo-Herrero
, and
L.
Liu
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
047204
(
2019
).
29.
L.
Liensberger
,
A.
Kamra
,
H.
Maier-Flaig
,
S.
Geprägs
,
A.
Erb
,
S. T. B.
Goennenwein
,
R.
Gross
,
W.
Belzig
,
H.
Huebl
, and
M.
Weiler
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
117204
(
2019
).
30.
C.
Dai
,
K.
Xie
,
Z.
Pan
, and
F.
Ma
,
J. Appl. Phys.
127
,
203902
(
2020
).
31.
D.
Zhang
,
X.-Q.
Luo
,
Y.-P.
Wang
,
T.-F.
Li
, and
J.
You
,
Nat. Commun.
8
,
1368
(
2017
).
32.
X.
Zhang
,
K.
Ding
,
X.
Zhou
,
J.
Xu
, and
D.
Jin
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
237202
(
2019
).
33.
B.
Bhoi
,
B.
Kim
,
S.-H.
Jang
,
J.
Kim
,
J.
Yang
,
Y.-J.
Cho
, and
S.-K.
Kim
,
Phys. Rev. B
99
,
134426
(
2019
).
34.
I.
Boventer
,
C.
Dörflinger
,
T.
Wolz
,
R.
Macêdo
,
R.
Lebrun
,
M.
Kläui
, and
M.
Weides
,
Phys. Rev. Res.
2
,
013154
(
2020
).
35.
Y.-P.
Wang
,
J. W.
Rao
,
Y.
Yang
,
P.-C.
Xu
,
Y. S.
Gui
,
B. M.
Yao
,
J. Q.
You
, and
C.-M.
Hu
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
127202
(
2019
).
36.
X.
Zhang
,
A.
Galda
,
X.
Han
,
D.
Jin
, and
V. M.
Vinokur
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
044039
(
2020
).
37.
H. J.
Juretschke
,
J. Appl. Phys.
31
,
1401
(
1960
).
38.
A. A.
Tulapurkar
,
Y.
Suzuki
,
A.
Fukushima
,
H.
Kubota
,
H.
Maehara
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
,
N.
Watanabe
, and
S.
Yuasa
,
Nature
438
,
339
(
2005
).
39.
G. D.
Fuchs
,
J. C.
Sankey
,
V. S.
Pribiag
,
L.
Qian
,
P. M.
Braganca
,
A. G. F.
Garcia
,
E. M.
Ryan
,
Z.-P.
Li
,
O.
Ozatay
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
062507
(
2007
).
40.
Y. S.
Gui
,
N.
Mecking
,
X.
Zhou
,
G.
Williams
, and
C.-M.
Hu
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
107602
(
2007
).
41.
J. C.
Sankey
,
Y.-T.
Cui
,
J. Z.
Sun
,
J. C.
Slonczewski
,
R. A.
Buhrman
, and
D. C.
Ralph
,
Nat. Phys.
4
,
67
(
2008
).
42.
H.
Kubota
,
A.
Fukushima
,
K.
Yakushiji
,
T.
Nagahama
,
S.
Yuasa
,
K.
Ando
,
H.
Maehara
,
Y.
Nagamine
,
K.
Tsunekawa
,
D. D.
Djayaprawira
,
N.
Watanabe
, and
Y.
Suzuki
,
Nat. Phys.
4
,
37
(
2008
).
43.
W.
Chen
,
J.-M. L.
Beaujour
,
G.
de Loubens
,
A. D.
Kent
, and
J. Z.
Sun
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
012507
(
2008
).
44.
D.
Fang
,
H.
Kurebayashi
,
J.
Wunderlich
,
K.
Výborný
,
L. P.
Zârbo
,
R. P.
Campion
,
A.
Casiraghi
,
B. L.
Gallagher
,
T.
Jungwirth
, and
A. J.
Ferguson
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
413
(
2011
).
45.
L.
Liu
,
T.
Moriyama
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
036601
(
2011
).
46.
L.
Bai
,
P.
Hyde
,
Y. S.
Gui
,
C.-M.
Hu
,
V.
Vlaminck
,
J. E.
Pearson
,
S. D.
Bader
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. Lett.
111
,
217602
(
2013
).
47.
Y.
Gui
,
L.
Bai
, and
C.-M.
Hu
,
Sci. China Phys. Mech. Astron.
56
,
124
141
(
2013
).
48.
A. R.
Mellnik
,
J. S.
Lee
,
A.
Richardella
,
J. L.
Grab
,
P. J.
Mintun
,
M. H.
Fischer
,
A.
Vaezi
,
A.
Manchon
,
E.-A.
Kim
,
N.
Samarth
, and
D. C.
Ralph
,
Nature
511
,
449
(
2014
).
49.
W.
Zhang
,
M. B.
Jungfleisch
,
W.
Jiang
,
J. E.
Pearson
,
A.
Hoffmann
,
F.
Freimuth
, and
Y.
Mokrousov
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
196602
(
2014
).
50.
J.-C.
Rojas-Sánchez
,
N.
Reyren
,
P.
Laczkowski
,
W.
Savero
,
J.-P.
Attané
,
C.
Deranlot
,
M.
Jamet
,
J.-M.
George
,
L.
Vila
, and
H.
Jaffrès
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
106602
(
2014
).
51.
J.
Sklenar
,
W.
Zhang
,
M. B.
Jungfleisch
,
W.
Jiang
,
H.
Chang
,
J. E.
Pearson
,
M.
Wu
,
J. B.
Ketterson
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. B
92
,
174406
(
2015
).
52.
T.
Nan
,
S.
Emori
,
C. T.
Boone
,
X.
Wang
,
T. M.
Oxholm
,
J. G.
Jones
,
B. M.
Howe
,
G. J.
Brown
, and
N. X.
Sun
,
Phys. Rev. B
91
,
214416
(
2015
).
53.
M. B.
Jungfleisch
,
W.
Zhang
,
J.
Sklenar
,
J.
Ding
,
W.
Jiang
,
H.
Chang
,
F. Y.
Fradin
,
J. E.
Pearson
,
J. B.
Ketterson
,
V.
Novosad
,
M.
Wu
, and
A.
Hoffmann
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
057601
(
2016
).
54.
M.
Harder
,
Y.
Gui
, and
C.-M.
Hu
,
Phys. Rep.
661
,
1
(
2016
).
55.
S.
Li
,
W.
Zhang
,
J.
Ding
,
J. E.
Pearson
,
V.
Novosad
, and
A.
Hoffmann
,
Nanoscale
8
,
388
(
2016
).
56.
P.
Hyde
,
L.
Bai
,
D. M. J.
Kumar
,
B. W.
Southern
,
C.-M.
Hu
,
S. Y.
Huang
,
B. F.
Miao
, and
C. L.
Chien
,
Phys. Rev. B
89
,
180404
(
2014
).
57.
W. L.
Yang
,
J. W.
Wei
,
C. H.
Wan
,
Y. W.
Xing
,
Z. R.
Yan
,
X.
Wang
,
C.
Fang
,
C. Y.
Guo
,
G. Q.
Yu
, and
X. F.
Han
,
Phys. Rev. B
101
,
064412
(
2020
).
58.
Y.
Li
,
F.
Zeng
,
S. S.-L.
Zhang
,
H.
Shin
,
H.
Saglam
,
V.
Karakas
,
O.
Ozatay
,
J. E.
Pearson
,
O. G.
Heinonen
,
Y.
Wu
,
A.
Hoffmann
, and
W.
Zhang
,
Phys. Rev. Lett.
122
,
117203
(
2019
).
59.
R.
Hisatomi
,
A.
Osada
,
Y.
Tabuchi
,
T.
Ishikawa
,
A.
Noguchi
,
R.
Yamazaki
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
,
Phys. Rev. B
93
,
174427
(
2016
).
60.
S.
Yoon
,
J.
Liu
, and
R. D.
McMichael
,
Phys. Rev. B
93
,
144423
(
2016
).
61.
A.
Capua
,
T.
Wang
,
S.-H.
Yang
,
C.
Rettner
,
T.
Phung
, and
S. S. P.
Parkin
,
Phys. Rev. B
95
,
064401
(
2017
).
62.
Y.
Li
,
H.
Saglam
,
Z.
Zhang
,
R.
Bidthanapally
,
Y.
Xiong
,
J. E.
Pearson
,
V.
Novosad
,
H.
Qu
,
G.
Srinivasan
,
A.
Hoffmann
, and
W.
Zhang
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
034047
(
2019
).
63.
Y.
Li
,
F.
Zeng
,
H.
Saglam
,
J.
Sklenar
,
J. E.
Pearson
,
T.
Sebastian
,
Y.
Wu
,
A.
Hoffmann
, and
W.
Zhang
,
IEEE Trans. Magn.
55
,
6100605
(
2019
).
64.
J.
Wei
,
C.
He
,
X.
Wang
,
H.
Xu
,
Y.
Liu
,
Y.
Guang
,
C.
Wan
,
J.
Feng
,
G.
Yu
, and
X.
Han
,
Phys. Rev. Appl.
13
,
034041
(
2020
).
65.
W.
Wang
,
T.
Wang
,
V. P.
Amin
,
Y.
Wang
,
A.
Radhakrishnan
,
A.
Davidson
,
S. R.
Allen
,
T. J.
Silva
,
H.
Ohldag
,
D.
Balzar
,
B. L.
Zink
,
P. M.
Haney
,
J. Q.
Xiao
,
D. G.
Cahill
,
V. O.
Lorenz
, and
X.
Fan
,
Nat. Nanotechnol.
14
,
819
(
2019
).
66.
T.
Chiba
,
G. E. W.
Bauer
, and
S.
Takahashi
,
Phys. Rev. Appl.
2
,
034003
(
2014
).
67.
B.
Bhoi
and
S.-K.
Kim
,
Solid State Phys.
70
,
1
(
2019
).
68.
D.
Lachance-Quirion
,
Y.
Tabuchi
,
A.
Gloppe
,
K.
Usami
, and
Y.
Nakamura
,
Appl. Phys. Express
12
,
070101
(
2019
).
69.
S. V.
Kusminskiy
,
Optomagnonic Structure
2021
,
299
353
.
70.
Y.-P.
Wang
and
C.-M.
Hu
,
J. Appl. Phys.
127
,
130901
(
2020
).
71.
Y.
Li
,
W.
Zhang
,
V.
Tyberkevych
,
W.-K.
Kwok
,
A.
Hoffmann
, and
V.
Novosad
,
J. Appl. Phys.
128
,
130902
(
2020
).
You do not currently have access to this content.