Kurzfassung
Die Entwicklung neuartiger Anwendungen für die Datenverarbeitung und -speicherung erfordert sowohl ein umfassendes Verständnis der Eigenschaften fundamentaler magnetischer Anregungen
wie Spinwellen oder Vortexkerngyrationen als auch die gezielte Beeinflussung der Anregungsspektren. Die Untersuchungen in dieser Arbeit im Zeit- und Frequenzbereich befassen sich mit
der grundlegenden Charakterisierung von Spindynamik auf ihrer typischen Sub-Nanosekunden-Zeitskala sowie deren Steuerbarkeit in verschiedenen Formen von magnonischen Kristallen.
Der erste Teil befasst sich mit der Untersuchung der kollektiven, phasengleichen Spinpräzession ferromagnetischer
Resonanz in einem dünnen magnetischen Film mit Hilfe der Kernresonanzstreuung von Synchrotronstrahlung an der 14.4 keV-Resonanz des Isotops 57Fe. Die Präzessionsbewegung der magnetischen Momente führt zu einer Reduzierung des Hyperfeinfeldes, welches auf die isotopischen Atomkerne wirkt. Dies kann anhand von Zeitspektren, welche die Zeitentwicklung des nuklearen Zerfalls beschreiben, beobachtet werden. Fits der Zeitspektren auf Basis eines stochastischen Relaxationsmodells ermöglichen die präzise Bestimmung der Präzessionstrajektorie sowie des Präzessionswinkels. Im Weiteren wird die gezielte Beeinflussbarkeit von Spindynamik in deterministischen Fraktalen mit Hilfe ferromagnetischer Resonanzspektroskopie und mikromagnetischer Simulationen untersucht. Wegen ihrer strikten, selbstähnlichen und hierarchischen Geometrie bieten deterministische Fraktale vielversprechende Eigenschaften für magnonische Anwendungen. Es zeigt sich, dass das Spinwellenspektrum stark von der Konnektivität der fraktalen Unterelemente abhängt. Das Anregungsspektrum von Sierpinski Teppichen mit einer maximalen Konnektivität lässt sich sowohl durch geometrische Modulationen als auch durch das Magnetisierungsmusters anhand eines externen Feldes zuverlässig steuern. Dagegen zeigen Sierpinski Dreiecke mit einer verschwindenden Konnektivität ein nahezu entartetes Modenspektrum.
Der letzte Teil der Arbeit beschäftigt sich mit der Steuerung von Vortexkernpolarisationen anhand von senkrechten Biasfeldern, erzeugt durch dipolare Streufelder zweier verschiedener Typen senkrecht magnetisierter ferromagnetischer Scheiben. Untersuchungen anhand von magnetooptischer Kerr Mikroskopie zeigen, dass die bimodale Schaltverteilung der Scheiben sowohl von der Felderhöhungsrate als auch von dem Scheibenabstand abhängt. Neben einem homogenen Muster können ein Streifen- und ein Schachbrettmuster antiparallel magnetisierter Scheiben zuverlässig eingestellt werden und bieten Zugang zu magnonischen Vortexkristallen deren Bandstruktur durch ein externes Feld umprogrammiert werden kann. Erste Messungen der Vortexkernpolarisationen
anhand von Magnetkraftmikroskopie sowie Vorschläge für ein optimiertes Probendesign werden präsentiert und diskutiert.
The understanding as well as the control of key features of fundamental magnetic excitations such as spin waves or the dynamics of vortex states are essential for the development of new types of data processing and storage devices. The investigations in this thesis both in the time and the frequency domain provide an evaluation of spin dynamics on their typical sub-nanosecond time scale as well as the controllability of their excitation spectra in different types of magnonic crystals. In the first part, the coherent in-phase spin precession of ferromagnetic resonance in a thin magnetic film is probed by means of nuclear resonant scattering of synchrotron radiation at the 14.4 keV resonance of isotopic 57Fe. The precessional motion of the magnetic moments results in a reduction of the hyperfine field acting on the isotopic nuclei which can be observed in time spectra that describe the temporal evolution of the nuclear decay. Fits to the time spectra on the basis of a stochastic relaxation model allow for the precise mapping of the precession trajectory and the determination of the opening angle of the excited magnetic moments. The controllability of suchlike spin dynamics is studied in deterministic fractals by means of broadband-ferromagnetic transmission measurements and micromagnetic simulations. Deterministic fractals provide a strictly self-similar hierarchical modulation in their geometry which makes them to auspicious candidates for magnonic applications. The spin-wave mode spectrum is found to be sensitive to the connectivity of the sub-elements in the fractals. Sierpinski carpets with a topology that guarantees a maximum connectivity of the sub-elements feature a distinct mode spectrum which can be tuned both by geometrical structuring as well as the homogeneity of the magnetization pattern via an external field. On the other hand, Sierpinski triangles with a vanishing connectivity feature a practically degenerate mode spectrum. The last part of the thesis aims at the control of vortex-core polarizations by means of perpendicularly aligned bias fields. The bias fields are generated by dipolar stray fields of two different types of perpendicularly magnetized ferromagnetic disks. Magneto-optical Kerr microscopy shows that the bimodal switching distribution of the disks depends both on the field increment rate as well as the interdisk distance. Besides a homogeneous pattern, a stripe and a checkerboard pattern of antiparallel magnetized disks can be reliably adjusted and provide access to magnonic vortex crystals with a reprogrammable band structure via an external magnetic field. First measurements of the vortex-core polarizations by means of magnetic force microscopy as well as suggestions for an improved sample design are provided.