Magnetization dynamics of confined ferromagnetic systems

URN to cite this document:: urn:nbn:de:bvb:355-opus-6644
DOI to cite this document:: 10.5283/epub.10440

Neudecker, Ingo

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Date of publication of this fulltext: 01 Jun 2006 07:47

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The aim of this thesis is to shed light into the resonantly excited spin wave
spectrum of confined ferromagnetic systems. When exposing a magnetic sample to
an ac magnetic field with appropriate frequency, the magnetization starts to
precess around its equilibrium position at a characteristic resonance
frequency. In the present work the dynamic response of the magnetization was
probed by employing both inductive as well as spatially resolved optical
techniques. In doing so, sinusoidal excitation is emphasized. However, the
results obtained from the novel frequency domain techniques are compared to
well established techniques in the time (applying a field pulse) and field
domain (conventional ferromagnetic resonance). $\\$
First the dynamic response of a well characterized ultrathin Fe film on
GaAs(001) substrate was investigated by means of the novel inductive vector
network analyzer ferromagnetic resonance technique. In order to test the
reliability of this novel technique, the obtained results are compared in terms
of resonance frequency and magnetic damping to pulsed inductive microwave
magnetometry, time resolved scanning Kerr microscopy, and conventional
ferromagnetic resonance. In addition, all techniques are compare regarding
their signal to noise ratios. $\\$
In the second experimental part of the thesis the absorption spectrum of
permalloy disks with 200~nm diameter demonstrates the potential of the network
analyzer ferromagnetic resonance technique for the investigation of
nano-structured magnetic elements having nonuniform magnetization
configuration. The results are compared to data from Brillouin light scattering
and numerical calculations. $\\$
On this basis larger disks with 4 micrometer diameter were investigated in
order to reveal the modal pattern. Spatially resolved optical techniques
allowed to investigate the disks both in their remanent vortex state and as a
function of an external in-plane magnetic field. $\\$
Finally, the modal pattern of ferromagnetic ring structures is presented and
discussed. Again, inductive and spatially resolved optical techniques disclose
the resonant mode spectrum and pattern in the remanent states and as a function
of an externally applied in-plane field. $\\$
Micromagnetic simulations were employed to back up the experimental results.

Translation of the abstract (German)

Die Arbeit stellt Untersuchung von resonant angeregten Spinwellen in räumlich
eingeschränkten ferromagnetischen System vor. Regt man den magnetischen
Grundzustand mit Hilfe eines alternierenden Magnetfelds an, so beginnt die
Magnetisierung mit einer charakteristischen Frequenz um ihre Gleichgewichtslage
zu präzedieren. Diese Präzesion wurde mit induktiven als auch optischen
Methoden untersucht, wobei die optischen Techniken eine räumliche Auflösung der
Anregungsmuster ermöglichen. Dabei wird in der Arbeit in erster Linie auf die
Anregung mit sinusförmigem ac Feld eingegangen. Darüber hinaus werden die
Ergebnisse, die mit Hilfe dieser neuartigen Techniken im Frequenzraum gewonnen
wurden mit etablierten Methoden sowohl in der Zeitdomäne (Anwendung eines
kurzen Feldpulses) als auch in der Felddomäne (konventionelle ferromagnetische
Resonanz) verglichen.
Der erste experimentelle Teil der Arbeit behandelt die resonante Antwort eines
umfassend charakterisierten ultradünnen Fe Films auf GaAs(001) Substrat. Der
Film wurde mit Hilfe der neuartigen induktiven Vektor Netzwerkanalysator
ferromagnetischen Resonanz Technik untersucht. Um die Verlässlichkeit dieser
Methode zu testen werden die gewonnenen Ergebnisse bezüglich der
Resonanzfrequenz und der magnetischen Dämpfung mit gepulster induktiver
Mikrowellen-Magnetometrie, zeitaufgelöster Raster-Kerr-Mikroskopie und
konventioneller ferromagnetischer Resonanz verglichen. Darüber hinaus werden
alle Methoden in Bezug auf ihr Signal zu Rausch Verhältnis diskutiert.

Im zweiten Teil der Arbeit wird anhand der Messung von Permalloy Kreisscheiben
mit einem Durchmesser von 200 nm das Potential der induktiven Vektor
Netzwerkanalysator ferromagnetischen Resonanz zur Untersuchung
nano-strukturierter Elemente mit nicht uniformer Magnetisierung demonstriert.
Die Ergebnisse werden mit Daten aus Messungen mit Brillouin Licht Streuung und
numerischen Rechnungen verglichen.
Auf Basis dieser Ergebnisse wurde das Modenspektrum von Kreisscheiben mit 4
Mikrometer Durchmesser untersucht. In diesem Zusammenhang ermöglichen optische
Messmethoden die räumliche Struktur der Moden sowohl im remanenten
Vortexzustand also auch als Funktion eines äußeren statischen "in-plane"
Magnetfeldes zu untersuchen.
Schließlich wird noch das resonante Anregungsspektrum von ferromagnetischen
Ringstrukturen vorgestellt und diskutiert. Induktive wie auch optische Methoden
ermöglichen die Untersuchung des Modenspektrums der Ringe wiederum sowohl in
ihren remanenten Zuständen als auch als Funktion eines äußeren statischen
"in-plane" Magnetfelds.
Vergleiche der experimentellen Ergebnisse mit Mikromagnetische Simulationen
zeigen hervorragende Übereinstimmung.

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