Imaging of magnetization dynamics in temperature gradients

URN zum Zitieren dieses Dokuments:: urn:nbn:de:bvb:355-epub-372744
DOI zum Zitieren dieses Dokuments:: 10.5283/epub.37274

Vogel, Michael

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Lizenz: Creative Commons Namensnennung 4.0 International
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Veröffentlichungsdatum dieses Volltextes: 05 Nov 2018 06:13

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Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	5 November 2018
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Christian H. Back und Prof. Dr. Jascha Repp
Tag der Prüfung:	2 Mai 2018
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Lehrstuhl Professor Back > Arbeitsgruppe Christian Back
Stichwörter / Keywords:	Magnetism, Magnetic Vortices, Magnetization Dynamics
Dewey-Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik
Status:	Veröffentlicht
Begutachtet:	Ja, diese Version wurde begutachtet
An der Universität Regensburg entstanden:	Ja
Dokumenten-ID:	37274

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Zusammenfassung (Englisch)

Zusammenfassung (Englisch)

This work investigates the manipulation of magnetization dynamics in magnetic vortex oscillators by local temperature profiles. The movement of the vortex cores is investigated experimentally by high resolution magnetic imaging. The dynamics of this systems is modelled by a generalized Thiele equation approach combined with micro magnetic simulations.

The first part demonstrates a new method of fine-grain phase control in a pair of magnetic vortex oscillators coupled via their stray fields. A pair of two disk shaped permalloy disks placed close to each other is investigated. A gyrotropic precession of the cores is excited via Spin Transfer Torque (STT) by application of a spin-polarized electric current density. The phase relation between the two oscillators is programmed by local manipulation of the saturation magnetization. The temperature dependent saturation magnetization of one oscillator is manipulated by Joule heating. The resonance frequency spectrum of the coupled system is investigated by Lorentz-TEM measurements. Phase control is demonstrated by high resolution, time resolved Scanning transmission X-ray microscopy (STXM)
measurements performed at the MAXYMUS beamline at Bessy II (Berlin, Germany). The dynamics of this system is modelled using a coupled extended Thiele equations approach.

In the second part the manipulation of the vortex core position by pure thermomagnonic torques is investigated. Traditionally the manipulation of topological solitons such as magnetic vortices and skyrmions is achieved by spin polarized electric charge currents due to the application of an electrical potential. As recently proposed by theory, thermally excited magnons created by temperature gradients can also be used to manipulate magnetic structures. Here the theoretically well understood dynamics of magnetic vortex cores, when subject to thermal gradients, is investigated. Transmission Electron Microscopy measurements on magnetic vortices in temperature gradients created by local static Joule heating were performed. A large deflection compared to electric spin transfer torque excitation of the magnetic vortex core is observed. It is shown that the magnitude of the deflection depends on the applied heating power and the polarization of the core. To analyze the experimental results, a generalized Thiele equation model, including the different forces acting on the vortex core due to the applied temperature gradient, was developed. This analysis allows the estimation of the magnitude of the core motion for the involved force terms and therefore the differentiation of the origin of the experimental observed vortex movement.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

In dieser Dissertation wird die Manipulation der Magnetisierungsdynamik in magnetischen Vortex-Oszillatoren durch lokale Temperaturprofile untersucht. Die Bewegung der Vortexkerne wird durch hochauflösende Mikroskopie experimentell untersucht. Zusätzlich wird die Dynamik der untersuchten Systeme durch eine Kombination von analytischen Betrachtungen, basierend auf der generalisierten Thiele-Gleichung, und mikromagnetischen Rechnungen simuliert.

Der erste Teil demonstriert eine neue Methode der Phasenprogrammierung durch Streufeld gekoppelte Vortex-Oszillatoren. Ein Paar kreisförmiger nebeneinander liegender Permalloy-Scheiben wird untersucht. Eine gyrotrope Bewegung der Vortexkerne wird durch einen spin-polarisierten Ladungstrom mittels des Spin-Transfer-Torque (STT) Effekts angeregt. Die Phasenrelation zwischen den beiden Oszillatoren wird durch lokale Manipulation der Sättigungsmagnetisierung mittels Erzeugung Joulscher Wärme manipuliert. Das Resonanzfrequenzspektrum des gekoppelten Systems wird durch hochauflösende Lorentz- Transmissionenelektronenmikroskopie (L-TEM) Messungen untersucht. Die Kontrolle über die Phasenrelation wird durch zeitaufgelöste Transmissionsrasterröntgenmikroskopiemessungen (Scanning transmission X-ray microscopy STXM) demonstriert. Die Messungen wurden an der MAXYMUS Beamline am Bessy II (Berlin, Germany) durchgeführt.

Im zweiten Teil wird die Manipulation der Vortexkernposition durch reine thermomagnetische Torques untersucht. Traditionell werden topologische Solitonen, wie magentische Vortices und Skyrmionen, durch spinpolariserte elektrische Ströme, die mit Hilfe eines elektrischen Potentials erzeugt werden, manipuliert. Wie vor kurzem theoretisch vorgeschlagen, können auch thermisch erzeugte Magnonen, die durch einen Temperaturgradienten erzeugt werden, benutzt werden, um magnetische Strukturen zu manipulieren. In dieser Disstertation werden die theoretisch gut verstandene Dynamik magnetischer Vortices unter dem Einfluss von Temperaturgradienten untersucht. Hierzu wurden Transmissions-Elektronen-Mikroskopie Messungen on magnteischen Vortices unter einem Temperaturgradienten, der durch statische Joule Wärme erzeugt wurde, durchgeführt. Eine im Vergleich zu elektronischem Spin-Transfer-Torque Anregungen große Auslenkung des Vortex-Kerns wurde beobachtet. Es wird gezeigt, daß die Größe der Auslenkung von der angelegten Heitzleistung und der Polarisation des Vortex abhängt. Um die Experimente zu analysieren, wurde ein Model, basierend auf der verallgemeinereten Thiele Gleichung, die die verschiednen Kräfte auf den Vortex Kern beinhalten, entwickelet. Diese Analyse ermöglicht die Abschätzung der Auslenkung der beobachteten Vortex Bewegung und dadurch die Bestimmung der Ursache für die experimentell beobachtete Vortex Bewegung.

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