Bitte benutzen Sie diese Kennung, um auf die Ressource zu verweisen: http://dx.doi.org/10.18419/opus-6780
Autor(en): Kammerer, Matthias
Titel: Spinwelleninduziertes Schalten magnetischer Vortexkerne
Sonstige Titel: Spin wave induced reversal of magnetic vortex cores
Erscheinungsdatum: 2012
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-71304
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/6797
http://dx.doi.org/10.18419/opus-6780
Zusammenfassung: Ziel dieser Arbeit war das selektive Anregen und Beobachten azimutaler Spinwellen in magnetischen Vortexstrukturen mit Hilfe von rotierenden GHz-Feldern. Die Symmetriebrechung dieser Spinwellen durch den Vortexkern wurde im weiteren Verlauf zur unidirektionalen Inversion seiner Polarität ausgenutzt. Auf Basis einer Hochfrequenzschaltung zur Erzeugung von rotierenden Feldern im sub-GHz Bereich wurde ein Anregungskonzept entworfen, welches die Erzeugung von rotierenden Feldern mit Frequenzen von mehr als 10 GHz erlaubt. Durch eine nicht isolierte, gekreuzte Leiterbahn unterhalb der Probe wurden dazu senkrecht zueinander orientierte AC Ströme mit definierter Phasenbeziehung geleitet. Neben der speziellen Treiberschaltung war die Entwicklung einer hochfrequenztauglichen Platine mit Hilfe von Time Domain Reflektometrie und Netzwerkanalyse nötig, womit im gewünschten Frequenzbereich ein Dämpfungsverhalten von wenigen dB erzielt wurde. Durch Optimierung der zeitaufgelösten Messmethodik am neuen Röntgenmikroskop MAXYMUS an der BESSY II in Berlin wurden Momentaufnahmen der Magnetisierung mit Zeitschritten bis unter 10 ps ermöglicht, womit magnetostatische Spinwellen, sowie das damit verbundene Schalten des Vortexkerns zeitaufgelöst abgebildet werden kann. Zunächst wurde das Spinwellenspektrum der verwendeten Vortexstruktur in Pump-Probe-Experimenten breitbandig angeregt und mit Hilfe von lokalen Fouriertransformationen analysiert. Die Ergebnisse wurden mikromagnetischen Simulationen gegenübergestellt und durch diese vervollständigt. Die rotierenden GHz-Felder ermöglichten erstmals eine selektive Anregung einzelner azimutaler Moden. Zeitaufgelöste Abbildungen der Magnetisierungsdynamik mit einer Ortsauflösung von ca. 30 nm ermöglichten die Beobachtung prinzipieller Unterschiede in der Struktur entgegengesetzt rotierender Eigenmoden. Zur Erklärung dieser Phänomene wurde ein anschauliches Modell entwickelt, welches durch umfassende Simulationen bestätigt werden konnte. Eine selektive Anregung dieser Moden mit rotierenden GHz-Bursts war die Voraussetzung für unidirektionales Umschalten des Vortexkerns. Im Experiment wurden Phasendiagramme zum Schalten des Vortexkerns über einen weiten Frequenz- und Amplitudenbereich erstellt, welche nicht nur theoretische Vorhersagen bestätigen, sondern weit über diese hinaus gehen. Zeitaufgelöste Momentaufnahmen, sowie Resultate aus vergleichbaren mikromagnetischen Simulationen, bestätigten die Interpretation des Schaltmechanismus als spinwelleninduziertes Schalten durch gezielte Anregung gewisser azimutaler Eigenmoden. Umfangreiche Simulationen wurden zur detaillierteren Untersuchung der Dynamik dieses Schaltprozesses durchgeführt und analysiert. Im Rahmen des oben angesprochenen Modells konnten viele der Beobachtungen vor und nach dem Schalten des Vortexkerns qualitativ beschrieben und erklärt werden, insbesondere viele charakteristische Unterschiede zwischen entgegengesetzt rotierenden Eigenmoden. Im Hinblick auf technologische Anwendungen wurde schließlich ein möglichst schnelles Schalten unter Einhaltung der Selektivität durch möglichst kurze Feldbursts untersucht. Bei der gegebenen Probe konnte mit hoch zeitaufgelösten Expermimenten ein unidirektionales Schalten bei einer Burstlänge von rund 200 ps beobachtet werden. Die Analyse der entsprechenden mikromagnetischen Simulationen zeigt hier eine Verzögerung des Umschaltprozesses von bis zu mehreren 100 ps nach dem Abschalten des Bursts. Mit Hilfe von geometrischen Überlegungen konnte diese Verzögerung auf die Laufzeit der homogen eingekoppelten Störung vom Außenbereich ins Zentrum der Vortexstruktur erklärt werden. Die Arbeit schließt mit ersten Ansätzen zur Optimierung der Schaltzeiten auf unter 100 ps.
The purpose of this work was the selective excitation and observation of azimuthal spin wave modes in magnetic vortex structures with the help of rotating GHz fields. The symmetry breaking of these spin waves due to the vortex core was then exploited to unidirectionally reverse its polarity. On the basis of a high frequency scheme for the creation of rotating fields in the sub-GHz regime, an excitation concept capable of creating rotating fields with more than 10 GHz was designed. Perpendicular AC currents with a well-defined phase relation were sent through a non-isolated crossed strip line below the sample. For this high frequency range, besides the specific driver circuit, the development of a RF-board with the help of time domain reflectometry and network analysis was necessary with which the damping properties could be decreased down to several dB. By optimizing the time resolved measurement technique at the new X-ray microscope MAXYMUS at BESSY II, Berlin, snapshots of the magnetization with time steps well below 10 ps could be achieved which enabled time resolved imaging of the magnetostatic spin waves as well as the related reversal of the vortex core. At first the spin wave spectrum of the observed vortex structure was excited in a pump and probe experiment at a broad frequency band and was analyzed with the help of local Fourier transformations. The results were compared and completed with micromagnetic simulations. For the first time the rotating GHz-fields allowed selective excitation of single azimuthal modes. Time resolved snapshots of the magnetization dynamics with a lateral resolution of around 30 nm led to the observation of principal differences in the structure of counter rotating modes. In order to explain these observations a descriptive model was developed, which was confirmed by numerous simulations. A selective excitation of these modes with rotating GHz-bursts was the precondition for a unidirectional reversal of the vortex core. Phase diagrams about vortex core reversal were experimentally established over a broad range in frequency and amplitude which not only confirmed theoretical predictions, but went far beyond them. Time resolved measurements as well as results from comparable micromagnetic simulations confirmed the interpretation of the switching mechanism as a spin wave induced reversal due to selective excitation of certain azimuthal eigenmodes. Extensive simulations were performed and analyzed in order to accurately examine the dynamics of the reversal process. Many of the observations before and after the reversal process could be explained in the framework of the developed model, in particular many characteristic differences between counter rotating eigenmodes. With regard to technological applications, the possibility of a minimization of the reversal time under the maintenance of selectivity with ultra-short field bursts was investigated. With the given sample, unidirectional switching with burst lengths down to 200 ps could be achieved experimentally. The analysis of the corresponding micromagnetic simulation shows a delay of the switching process as long as several 100 ps after the end of the burst. With the help of geometrical considerations, this retardation could be assigned to finite expansion times of the homogeny injected amplitude towards the center of the sample. The work is concluded by first attempts to optimize the reversal times of the vortex core to below 100 ps.
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