Field Driven Vortex Domain Wall Motion in Magnetic Nanostructures

Dokumentenart:	Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation)
Open Access Art:	Primärpublikation
Datum:	30 Januar 2020
Begutachter (Erstgutachter):	Prof. Dr. Christian Back
Tag der Prüfung:	13 Dezember 2019
Institutionen:	Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Entpflichtete oder im Ruhestand befindliche Professoren > Lehrstuhl Professor Back > Arbeitsgruppe Christian Back
Stichwörter / Keywords:	Vortex Domain Walls; Domain Walls; Domain Wall Motion; Walker Breakdown; Magnetization Dynamics; Landau-Lifshitz-Gilbert Equation; Thiele Equation; MUMAX3; Permaloy; Ferromagnetic Resonance; Magneto-Optical Kerr Effect; Coplanar Wafe Guide; Time-Resolved Kerr Microscopy; Wide-Field Kerr Microscopy; Domain Wall Pinning; Depinning Probabilites; Low Field Mobility; Vortex Core; Vortex Core Polarity; Chirality; Magnetic Damping; Saturation Magnetization; Ferromagnetic Nanostripes; Sample Fabrication;
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:	41435

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis deals with the research area of domain walls (DW). In particular, the dynamics of field-driven vortex domain walls (VDW) in ferromagnetic nano-stripes (Ni80Fe20 / Permalloy) is investigated experimentally as well as by means of analytical calculations and micromagnetic simulations (MUMAX3). The work focuses on the behaviour of VDWs in the special dynamic regime at fields exceeding the ...

Zusammenfassung (Englisch)

This thesis deals with the research area of domain walls (DW). In particular, the dynamics of field-driven vortex domain walls (VDW) in ferromagnetic nano-stripes (Ni80Fe20 / Permalloy) is investigated experimentally as well as by means of analytical calculations and micromagnetic simulations (MUMAX3). The work focuses on the behaviour of VDWs in the special dynamic regime at fields exceeding the critical Walker field. Depending on the chirality of the VDW, a fast double reversal process of the vortex core (VC) polarity can occure. After providing a detailed presentation of the underlying theoretical background of DW dynamics (Landau-Lifshitz-Gilbert equation, Thiele equation, Collective Coordinate Approach), the resulting equation of motion are derived. Furthermore, the theoretical framework of the applied (Ferromagnetic Resonance, Magneto-Optical Kerr Effect) experimental techniques are given. In the consecutive chapter the thesis proves the reader an introduction to the experimental techniques (e.g. sample design based on a coplanar wave guide, Time-Resolved Kerr Microscopy, Full-Film Ferromagnetic Resonance, Wide-Field Kerr Microscopy) and methods of data evaluation which were used throughout this thesis in order to perform sample characterization and investigate domain motion (DWM). In the chapter dedicated to the experimental and simulational results, the outcome of the sample characterization (e.g. determination of the saturation magnetization Mₛ, magnetic damping parameter α, depinning probabilities, low field mobility) are presented. Based on experimental findings and micromagnetic simulations, four properties of the new found double reversal process (DRP) of the VC polarity are identified. They are explained by experimental results, micromagnetic simultaions and analytical calculations which is leading to a deep understanding of the DRP effect.

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Forschungsgebiet der Domänenwände (DW). Konkret wird in der vorliegenden Arbeit die Dynamik von feldgetriebenen Vortexdomänenwänden (VDW) in ferromagnetischen Nanostreifen (Ni80Fe20 / Permalloy) experimentell sowie mit Hilfe von analytischen Berechnungen und mikromagnetischen Simulationen (MUMAX3) untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf einem ...

Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)

Diese Dissertation beschäftigt sich mit dem Forschungsgebiet der Domänenwände (DW). Konkret wird in der vorliegenden Arbeit die Dynamik von feldgetriebenen Vortexdomänenwänden (VDW) in ferromagnetischen Nanostreifen (Ni80Fe20 / Permalloy) experimentell sowie mit Hilfe von analytischen Berechnungen und mikromagnetischen Simulationen (MUMAX3) untersucht. Der Fokus der Arbeit liegt dabei auf einem speziellen dynamischen Regime, welches bei Feldern oberhalb des kritischen Walkerfeldes auftritt. In Abhängigkeit von der Chiralität der VDW kann eine schnelle doppelte Umkehr der Polarität des Vortexkerns (VC) auftreten. Nach der Darstellung der zugrunde liegenden Theorie der DW Dynamik (Landau-Lifshitz-Gilbert Gleichung, Thiele Gleichung, Collective Coordinate Approach), werden die zugehörigen Bewegungsgleichungen hergeleitet. Zusätzlich wird die theoretische Grundlage der angewandten experimentellen Techniken (Ferromagnetische Resonanz, Magnetooptischer Kerr Effekt) gelegt. Das nachfolgende Kapitel gibt dem Leser eine Einführung in die verwendeten experimentellen Techniken (z.B. das auf einen koplanaren Wellenleiter basierende Probendesign, zeitaufgelöste Kerr Mikroskopie, Full-Film Ferromagnetische Resonanz, Weitfeld Kerr Mikroskopie) sowie Methoden der Datenauswertung, welche in der gesamten Arbeit hinweg bei der Probencharakterisierung und Untersuchung der Domänenwandbewegung (DWM) zum Einsatz kamen. Im nachfolgenden Kapitel über die Resultate der durchgeführten Messungen und Simulationen werden die Ergebnisse der Probenherstellung (z.B. Bestimmung der Sättigungsmagnetisierung Mₛ, magnetischer Dämpfungsparamter α, Depinningwahrscheinlichkeiten, Domänenwandmobilität bei Feldern unterhalb des Walkerfeldes Hw) erläutert. Basierend auf den Mess- und Simulationsergebnissen lassen sich vier Eigenschaften des neu entdeckten doppelten Umkehrprozesses der Polarität des Vortexkerns (DRP) identifizieren. Diese werden durch experimentelle Resultate, mikromagnetische Simulationen und analytische Rechnungen erklärt, was zu einem detaillierten Verständnis des DRP führt.

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