Michael Martens, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2014 :

"Untersuchung der Dynamik magnetischer Vortizes und Antivortizes mit Hilfe von ferromagnetischer Absorptions-Spektroskopie und Transmissions-Röntgenmikroskopie"


"Dynamics of magnetic vortices and antivortices studied by ferromagnetic absorption spectroscopy and transmission x-ray microscopy"



Schlagwörter: magnetism, ferromagnetism, magnetic vortices, magnetization dynamics, magnetic x-ray microscopy, ferromagnetic nanostructures, magnetic storage, spin-polarized currents
PACS : 75.78.-n ; 75.78.Fg ; 75.70.Kw ; 78.70.Dm ; 76.50.+g ; 75.40.Gb ; 75.60.Jk ; 75.75.-c ; 75.60.Ch

Summary

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.

Titel

Kurzfassung

Summary

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.