In Rahmen dieser Doktorarbeit wurde das zeitabhängige Verhalten der Magnetisierung von streifenförmigen Nanomagneten untersucht. Auf der Größenskala von wenigen Mikrometern und darunter zeigen strukturierte Ferromagneten ein komplexes Verhalten, das sehr stark von der genauen Form des Ferromagneten und dem umgebenden magnetischen Feld abhängt.
Im Einzelnen wird in dieser Arbeit über drei Themen berichtet: (a) Lokalisierung von Spinwellen. Durch ein gegenüber der harten Achse leicht verkipptes externes Magnetfeld läßt sich eine zickzack-förmige Magnetisierung in Streifen einstellen. In 300 nm breiten Streifen führt das hochgradig inhomogene Magnetfeld im Inneren des Streifens zu einer Lokalisierung der einfachsten Spinwelle in nur 65 nm breiten Kanälen auf beiden Seiten des Streifens. Die Lokalisierung erfolgt fern der geometrischen Ränder der Streifen. (b) Mikrowellen-assistiertes Schalten. Das Schaltfeld zwischen den beiden stabilen Magnetisierungsrichtungen in Streifen kann durch Mikrowelleneinstrahlung reduziert werden. In enggepackten periodischen Streifengittern ist dieser Prozess besonders effektiv im Vergleich zu einzelnen Streifen. Die Reduzierung der kritischen Felder kann durch eine Erweiterung der seit langem bekannten Demagnetisierungsfaktoren auf periodische Gitter beschrieben werden. (c) Faltung der Spinwellendispersion in magnonischen Kristallen. Ein eindimensionaler magnonischer Kristall, der aus identischen Streifen aufgebaut ist, besitzt zwei mögliche Einheitszellen. Durch Wahl einer geeigneten Feldgeschichte kann zwischen einer durch die Geometrie bedingten Einheitszelle aus einem einzelnen Streifen und einer magnetisch bedingten Einheitszelle aus zwei antiparallel magnetisierten Streifen umgeschaltet werden. Die Wellenvektordispersion von Spinwellen in diesem Kristall wird in dem Fall an der neuen Brillouinzonengrenze in das Zentrum der Zone gefaltet, wo im Spinwellenspektrum neue Resonanzen auftreten.
Zur Verwendung kam bei jedem der Experimente ein auf einem Vektor-Netzwerk-Analysator basierendes Mikrowellenspektrometer, mit dem das Spinwellenspektrum von nanostrukturierten Ferromagneten ortsintegrierend bestimmt werden kann. Zusätzlich wurden mikromagnetische Simulationen durchgeführt, um ein tieferes Verständnis der mikroskopischen Eigenschaften der beobachteten Spinwellen zu erlangen.
For this thesis the time-dependant behavior of the magnetization inside wire-like nanomagnets was investigated. Micron-sized patterned ferromagnets display a rich static and dynamic behavior, which strongly depends on the exact geometry of the ferromagnet and the applied magnetic field.
Three topics are discussed in this thesis. They are, in particular: (a) Localization of spin waves. Inside wires a zig-zag shaped magnetization pattern can be set using an applied field that is a few degree off from the in-plane hard axis of the wires. In 300 nm wide wires the highly inhomogenous internal magnetic field results in a localization of the lowest-order spin wave in two 65 nm wide channels on both sides of the wires. The localized spin wave is well seperated from the geometric edges of the wires. (b) Microwave-assisted switching. The switching field between both stable orientations of the magnetization inside wires can be reduced through irradiation with microwaves. In densely packed arrays of wires this process is more efficient than in individual wires. Die reduction of the critical fields can be explained by a modification of the well-known demagnetization coefficients that accounts for dipolar interactions between wires in periodic arrays. (c) Folding of the spin-wave dispersion in magnonic crystals. A one-dimensional magnonic crystals made from identical wires possesses two possible unit cells. A suitable magnetic field history can be used to select a unit cell consisting of a single wire when the crystal is parallel magnetized and a unit cell consisting of two antiparallel magnetized wires. In the case of the complex unit cell, the wave-vector dispersion of spin waves is folded at the new Brillouin-zone boundaries back into the center of the one, where new resonance appear in the spin-wave spectrum.
A microwave spectrometer based on a vector-network analyzer was used to detect the spatially averaged spin-wave spectrum of nanostructured ferromagnets. Furthermore, micromagnetic simulations were used to gain insights into the microscopic nature of observed spin waves.