In dieser Arbeit wird die Magnetisierungsdynamik gekoppelter ferromagnetischer Mikro- und Nanostrukturen auf der Nano- und Subnanosekunden-Zeitskala sowohl im Orts- als auch im Frequenzraum untersucht. Hierzu wird ein auf einem Vektor-Netzwerk-Analysator basierendes Mikrowellenspektrometer mit einem Frequenzbereich zwischen 10 MHz und 26,5 GHz, sowie magnetische Transmissions-Röntgenmikroskopie mit einer Ortsauflösung von etwa 25 nm und einer Zeitauflösung von unter 100 ps verwendet.
Der Schwerpunkt der Arbeit liegt bei der Untersuchung der Wechselwirkung benachbarter ferromagnetischer Strukturen mittels ihres Streufeldes und dessen Einfluss auf die Magnetisierungsdynamik. Die Gyrationsbewegung von Vortizes in Paaren, Ketten und Arrays gekoppelter scheibenförmiger und quadratischer Strukturen wird untersucht. Transmissionsspektren an Arrays zeigen, dass sich die Resonanzfrequenz umgekehrt proportional zur sechsten Potenz des normierten Abstandes und abhängig von der Größe des Arrays ändert. Es kann eine Vergleich zwischen dem System aus Vortizes und rotierenden induzierten Dipolen gezogen werden. Mittels Röntgenmikroskopie werden die Trajektorien gekoppelter Vortexbewegungen direkt abgebildet. Es wird gezeigt, dass sich die gekoppelten Vortizes analog zu gekoppelten harmonischen Oszillatoren verhalten und Normalmoden einer gleichphasigen und einer gegenphasigen Bewegung können bestimmt werden. Des Weiteren wird der Signaltransfer entlang einer Kette von bis zu fünf Vortizes experimentell gezeigt und eine Kette von drei Vortizes wird zwischen einem durchlassenden und sperrenden Zustand geschaltet. Neben Elementen im Vortex-Zustand werden auch Paare eindomäniger Rechtecke untersucht. Es wird gezeigt, dass die dipolare Wechselwirkung ebenfalls einen Einfluss auf die Mode der ferromagnetischen Resonanz (FMR) hat. Der Öffnungswinkel der Präzession der Magnetisierung wird bestimmt und es wird ein Messaufbau vorgestellt, der die gleichzeitige Durchführung von FMR- und Transportmessungen ermöglicht.
Im letzten Teil der Arbeit wird ein Konzept zur Erzeugung wohldefinierter Potentialbarrieren für Domänenwände zwischen entgegengesetzt ausgerichteten Domänen in Nanodrähten mittels der lokalen Veränderung magnetischer Eigenschaften untersucht. Die Implantation von Chrom-Ionen wird genutzt um die Sättigungsmagnetisierung lokal herabzusetzen. Das feldgetriebene Pinning und Depinning an den weichmagnetischen Bereichen wird mit Hilfe der Röntgenmikroskopie abgebildet und es wird gezeigt, dass die Potentialbarriere von der angewendeten Chrom-Fluenz abhängt. Die Form des Potentials wird durch mikromagnetische Simulationen und elektrische Messungen charakterisiert und ein verlässliches Depinning von Domänenwänden durch einzelne Strompulse wird nachgewiesen.
In this thesis, the magnetization dynamics on the nanosecond and subnanosecond time scale in coupled ferromagnetic micro- and nanostructures are investigated in frequency space and in real space. Broadband ferromagnetic-resonance (FMR) measurements using a vector-network analyzer with a frequency range from 10 MHz to 26.5 GHz and magnetic transmission x-ray microscopy with a spatial resolution of typically 25 nm and a temporal resolution below 100 ps are applied.
A focus is on the understanding of the stray-field mediated coupling between neighboring ferromagnetic structures and its influence on the magnetization dynamics. The gyroscopic motion of vortices in pairs, chains, and arrays of coupled disk-shaped and square-shaped structures is investigated. FMR transmission spectra of arrays reveal a dependence of the vortex-resonance frequency on the inverse sixth power of the normalized center-to-center distance between the elements and on the size of the array. An analogy can be drawn between the vortex system and rotating induced dipoles. Using x-ray microscopy, the trajectories of coupled vortex gyrations in pairs are directly observed in real space. The interacting vortices are shown to behave like coupled harmonic oscillators and distinct normal modes for an in-phase and antiphase motion of the vortex oscillators are identified. Furthermore, the transfer of an excitation signal along a chain of up to five vortices is demonstrated and a chain of three vortices is switched back and forth between a transmitting and a locking state. Besides elements in the vortex state, pairs of single-domain rectangles are investigated where the dipolar coupling is likewise shown to have an influence on the FMR mode. The cone angle of the magnetization precession is determined and a measurement setup is established which allows to simultaneously perform FMR and transport measurements.
In the last part of this thesis, the suitability of a concept to create well-defined confining potentials for domain walls between opposing magnetic domains in nanowires via the local modification of magnetic properties without geometric constrictions is verified. Implantation of chromium ions is used to reduce the saturation magnetization. Field-driven pinning and depinning at the so-called magnetic soft spots is directly observed using x-ray microscopy and the confining potential is shown to be tunable via the chromium ion fluence applied to induce the soft spots. The shape of the potential is characterized via micromagnetic simulations and electrical measurements. Reliable depinning via single current pulses is demonstrated.