Die vorliegende Arbeit behandelt die Interferenz von Spinwellen in ferromagnetischen Mikrostrukturen. Es wurden Streifen und aufgerollte Filme aus Permalloy Ni_80Fe_20 mit Hilfe eines Raster-Kerr-Mikroskops sowie mit breitbandiger Mikrowellenspektroskopie untersucht. Für die Interpretation der Ergebnisse wurde ein analytisches Modell aus Kalinikos & Slavin (1986) für unsere Systeme adaptiert und im Falle der aufgerollten Strukturen durch mikromagnetische Simulationen unterstützt. Das hier verwendete Modell beschreibt die Ausbildung von quantisierten Spinwellen in rechteckigen, dünnen ferromagnetischen Systemen und berücksichtigt dabei sowohl die Austausch- als auch die Dipol-Dipol-Wechselwirkung.
Das im Rahmen dieser Arbeit neu aufgebaute Raster-Kerr-Mikroskop besitzt eine Zeitauflösung von etwa einer Pikosekunde sowie eine Ortsauflösung von 700 nm. Es verwendet zur Anregung der magnetischen Strukturen eine kontinuierliche Mikrowellenquelle, welche mit dem verwendeten Kurzpulslaser phasenfest gekoppelt ist. Dies ermöglicht eine frequenzabhängige Untersuchung der Ausbreitung von Spinwellen in ferromagnetischen Systemen.
Die zeit- und ortsaufgelösten Messungen an den Streifen zeigen die Quantisierung von Spinwellen transversal zur Streifenachse. Die Ausbreitung von Spinwellen entlang des Streifens erzeugt ein zeitlich variables Interferenzmuster, da die transversalen Moden jeweils eigene Dispersionskurven für die sich ausbreitenden Spinwellen definieren. Die beiden dominierenden Spinwellenmoden konnten aus dem gemessenen Interferenzmuster einzeln rekonstruiert werden, wodurch es möglich war, die Ausbreitungsgeschwindigkeit der Moden zu ermitteln. Die daraus erhaltenen Wellenvektoren stimmen gut mit dem oben genannten Modell überein.
Für die Erzeugung der ferromagnetischen Rollen wurden Py-Filme auf eine verspannte Halbleiterstruktur aufgebracht, welche sich in einem Relaxationsprozess aufrollt. Die Mikrowellenspektroskopie an den aufgerollten Py-Filmen ergaben mehrere Resonanzen, welche umlaufenden und konstruktiv interferierenden Spinwellen zugeordnet werden konnten. Bei dieser Interpretation wurde das genannte Modell für rechteckige Strukturen mit Hilfe von periodischen Randbedingungen an die Zylindergeometrie angepasst. Die mehrlagige Rolle wird bezüglich der magnetischen Eigenschaften mit einer effektiven Schichtdicke beschrieben. Obwohl die Rolle keine geschlossene magnetische Schicht besitzt, ist die Übereinstimmung mit dem Modell sehr gut. Der Grund dafür ist die Dipol-Dipol-Wechselwirkung, welche eine Kopplung zwischen den durch ca. 20 nm Halbleitermaterial voneinander getrennten magnetischen Lagen ermöglicht.
The present work covers spin-wave interference in ferromagnetic microstructures. We performed measurements on stripes and rolled-up films of permalloy Ni_80Fe_20 using a scanning Kerr microscope and broadband microwave spectroscopy. We interpret our findings utilizing micromagnetic simulations and an analytical model by Kalinikos & Slavin (1986) describing the formation of quantized spin waves in rectangular, thin ferromagnetic systems with respect to exchange as well as dipole-dipole interaction.
Within this work we built up a new Kerr microscope with a temporal resolution of about a picosecond and a spatial resolution of 700 nm. To excite the magnetic structures we use cw-microwaves, which are coupled to the pulse laser of the microscope with a fixed phase relation. This allows the investigation of propagating spin waves in ferromagnetic systems in dependance of the excitation frequency.
Temporally and spatially resolved measurements on magnetic stripes reveal quantized spin waves transverse to the axis of the stripe. Since every quantized wave defines it's own dispersion relation the propagation of the spin-wave modes along the stripe creates a specific temporal interference pattern. We could reconstruct the two dominant modes and determine the phase velocity as well as the wave vectors of the single modes. The findings are consistent with the model mentioned above.
To build a rolled-up ferromagnetic tube, we prepare a permalloy film on a strained semiconductor multilayer that releases it's strain by rolling up. Microwave spectroscopy on the tubes revealed multiple resonances that could be attributed to spin waves propagating around the circumference of the tube undergoing constructive interference. This interpretation is supported by applying periodic boundary conditions in a cylindric geometry of the model for rectangular structures. The multilayered tube is described by an effective wall thickness regarding the magnetic properties. Despite the spiral shape of the magnetic layers the model describes the results very well. This can be explained by the dipole-dipole interaction coupling of the individual layers that are separated by more than 20 nm of semiconductor material.