Investigation and control of domain walls and their interaction with spin-polarized currents in nanoscale ferromagnets
Final Report Abstract
Innerhalb dieses Projektes konnten grundlegende physikalische Sachverhalte im Bereich der Manipulation von Domänenwänden untersucht, verstanden und in führenden Zeitschriften publiziert werden, womit die Forschungsziele weitgehend erreicht wurden. So konnte der nicht-adiabatischen Koeffizient aus dem thermisch aktivierten Springen einer DW zwischen zwei metastabilen Pinningstellen unter Beeinflussung eines spin-polarisierten Stromes bestimmt werden. Hierbei ergab sich für den nicht-adiabatischen Koeffizient β einer transversalen DW ein Wert, welcher im Bereich des Dämpfungsparameters α liegt. Aus analogen Untersuchungen mit Vortexwänden resultierte ein wesentlich größerer Koeffizient (β ≈ 10α). Die Nicht-Adiabatizität von Vortizes konnte komplementär über die Bestimmung der Auslenkung des Kerns durch einen spin-polarisierten Strompuls bestimmt werden. Hierbei fanden wir eine vergleichbar hohe Nicht-Adiabatizität für die Vortexmagnetisierung (β > 10α). Dies deutet darauf hin, dass große Magnetisierungsgradienten, wie sie in der Vortexwand auftreten, eine höhere Nicht-Adiabatizität verursachen als geringere Magnetisierungsgradienten innerhalb einer transversalen Wand. Des Weiteren kann durch die Bestimmung der Phase zwischen Mikrowellenanregung und oszillatorischer Vortexkernbewegung β bestimmt werden. Zudem haben wir die Messungen auf hoch-spin-polarisierte Materialien wie LSMO und Heusler-Verbindungen erweitert. Hier deuten erste vielversprechende Ergebnisse auf gut reproduzierbare DW-Spinstrukturen hin. Auch die Messungen im Zusammenhang mit reinen Spinströmen brachten vielversprechende Ergebnisse. Hierbei bestätigte sich, dass die Spindiffusionslänge eine, vom verwendeten nichtmagnetischen Material abhängige, Größe ist. So ist die Spindiffusionslänge von Aluminium um den Faktor 10 höher als die von Kupfer. Dies wird für zukünftige Experimente von Bedeutung sein, da die Spindiffusionslänge einen entscheidenden Parameter für den STT darstellt. Der STT-Effekt selbst konnte über den Einfluss auf eine gepinnte DW durch magnetische Transportmessungen nachgewiesen werden. Im weiteren Verlauf der Arbeiten soll die Abhängigkeit des STT-Effektes von der Polarisationsrichtung des Spinstromes analysiert werden. Hierfür werden neue Proben benötigt, bei welchen der Winkel zwischen zwei Py-Streifen variieren würde. Außerdem ist ein direkter abbildender Nachweis der Spinakkumulation mittels eines scanning electron microscope with polarization analysis (SEMPA) geplant, welches Auflösungen der Spinstrukturen und Spinakkumulationen im Bereich von 10 nm ermöglicht. Zudem wurde der Einfluss von Oersted-Feldern auf DW untersucht. Dynamische Messungen haben die Trägheit von Domänenwänden gezeigt. Neben den wissenschaftlichen Veröffentlichungen gab es auch Rezeptionen der Ergebnisse in der breiteren Öffentlichkeit. Insbesondere die Publikation von Heyne et al. wurde von IBM als wichtiger Meilenstein kommentiert und daraufhin wurde darüber in diversen Artikeln in der Presse berichtet (Neue Zürcher Zeitung, Der Standard, St. Galler Tagblatt, Pro-Physik, etc.).
Publications
- Selective domain wall depinning by localized Oersted fields and Joule heating. Appl. Phys. Lett. 93, 132503 (2008)
Ilgaz et al.
- Tunable steady-state domain wall oscillator with perpendicular magnetic anisotropy. Appl. Phys. Lett. 95, 162504 (2009)
Bisig et al.
- 2010. Manipulation of Magnetic Domain Walls and Vortices by Current Injection. Dissertation
L. Heyne
- Direct Determination of Large Spin-Torque Nonadiabaticity in Vortex Core Dynamics. Phys. Rev. Lett. 105, 187203 (2010)
Heyne et al.
- Direct imaging of current induced magnetic vortex gyration in an asymmetric potential well. Appl. Phys. Lett. 96, 152506 (2010)
Bisig et al.
- Direct observation of high velocity current induced domain wall motion. Appl. Phys. Lett. 96, 032504 (2010)
Heyne et al.
- Domain-Wall Depinning Assisted by Pure Spin Currents. Phys. Rev. Lett. 105, 076601 (2010)
Ilgaz et al.
- Imaging of Domain Wall Inertia in Permalloy Half-Ring Nanowires by Time- Resolved Photoemission Electron Microscopy. Phys. Rev. Lett. 104, 067201 (2010)
Rhensius et al.
- Nonadiabatic Spin Torque Investigated Using Thermally Activated Magnetic Domain Wall Dynamics. Phys. Rev. Lett. 105, 056601 (2010)
Eltschka et al.
- 2011. Spin Dynamics and Spin Configuration in Nanopatterned Elements. Dissertation
J. Rhensius
- Analytical description for current-induced vortex core displacement. J. Appl. Phys. 109, 07C908 (2011)
Heyne et al.
