Kurzfassung
Magnetische Singularitäten in mikroskopisch kleinen,
ferromagnetischen Dünnfilmelementen könnten in der
Zukunft in magnetischen Speichermedien Verwendung finden. Des Weiteren
stellen sie ein ideales Modellsystem für die Untersuchung der
Magnetisierungsdynamik dar. In dieser Arbeit betrachten wir die Dynamik
magnetischer Wirbel, der sogenannten Vortizes und Antivortizes, auf
Zeitskalen von wenigen Pikosekunden bis zu mehreren Nanosekunden.
Hochfrequente magnetische Wechselfelder und spin-polarisierte
Ströme werden genutzt um die magnetischen Zustände
dieser Strukturen gezielt zu verändern. Mittels
zeitaufgelöster Röntgenmikroskopie, mikromagnetischer
Simulationen und analytischer Berechnungen untersuchen wir den
speziellen Fall einer rotierenden Anregung. Für magnetische
Antivortizes erhalten wir ein asymmetrisches Verhalten
bezüglich der Feld- und Stromanregung, welche auf die
besondere, negative Windungszahl der Domänenstruktur
zurückzuführen ist. Zusätzlich erforschen
wir die Dynamik magnetischer Vortizes im Frequenzraum mittels
ferromagnetischer Absorptionsspektroskopie. Hierbei finden wir
Abweichungen von den zuvor entwickelten linearen Bewegungsgleichungen.
Diese Abweichungen lassen sich jedoch durch die Annahme
nicht-parabolischer Einschluss-Potentiale und einer kritischen
maximalen Geschwindigkeit der Vortexbewegung erklären. Es
stellt sich heraus, dass die gemessenen Absorptionsspektren ab einer
gewissen Anregungsamplitude grundlegend durch das kontinuierliche
Schalten der Vortex-Polarisation beeinflusst werden. Die genaue Messung
und Vorhersage dieser Schaltschwellen ist eine Voraussetzung
dafür, dass Vortizes technologische Verwendung finden
können. Wir verifizieren unsere Ergebnisse zusätzlich
durch die direkte Abbildung der Vortexbewegung mittels
Röntgenmikroskopie. Für die Interpretation dieser
Daten wird ein fundamentales Verständnis der zugrunde
liegenden Prozesse benötigt. Dieses erhalten wir durch
ergänzende Simulationen. Wir zeigen außerdem, dass
sich die Eigenfrequenz der Vortexbewegung durch statische Magnetfelder
beeinflussen lässt. Dieses Verhalten kann durch anisotrope
Erweiterungen unseres Modells verstanden werden, die die Form der
Mikrostruktur widerspiegeln.
Der Einblick, der durch die vorliegende Arbeit in die Dynamik
magnetischer Wirbel gewonnen wird, ist Grundlage für eine
erfolgreiche Anwendung magnetischer Vortizes als Speichermedium.
Magnetic singularities in micron-sized ferromagnetic elements have been
proposed for new concepts of magnetic data storage and are an ideal
model system for the investigation of magnetization dynamics. In this
thesis we deal with the dynamics of magnetic vortices as well as
antivortices at picosecond and nanosecond timescales. High frequency
alternating fields and spin-polarized currents are used for the
manipulation of the vortices' magnetic states. The special case of
rotational excitation is investigated by time-resolved magnetic
transmission x-ray microscopy, micromagnetic simulations, and
analytical calculations. For magnetic antivortices we find an
asymmetric response to field and current excitation that we can explain
with the negative winding number of the domains. In addition, we study
the dynamics of magnetic vortices in the frequency domain by means of
ferromagnetic absorption spectroscopy. We find deviations from the
linear dynamics that we assumed previously. These deviations are
explained in the context of a nonparabolic confining potential and a
critical maximum velocity of vortex motion. Absorption spectra are
found to be crucially influenced by the continuous reversal of the
vortex-core polarization for high amplitudes of excitation. The
measurement of the reversal threshold and its prediction within our
analytical model is one prerequisite for technological applications. We
verify our findings by direct imaging using magnetic transmission x-ray
microscopy. For the interpretation of the data a detailed understanding
of the underlying processes is developed based on micromagnetic
simulations. We demonstrate that the eigenfrequency of magnetic vortex
motion is also influenced by static magnetic fields. This is modeled
analytically by anisotropic extensions that represent the shape of the
microstructure. The insight into vortex dynamics gained in this work is
crucial for a successful application of vortices for data storage
devices.