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Nonuniform magnetic spin textures for sensing, storage and computing applications
Sabri Koraltan
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*in
Dieter Süss
DOI
10.25365/thesis.77909
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-11510.33424.258695-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Seit über einem Jahrhundert sind weiche ferro- und ferrimagnetische Materialien integraler Bestandteil einer Vielzahl von Anwendungen und haben wesentlich zu den technologischen Fortschritten der modernen Welt beigetragen. Insbesondere Technologien wie Festplattenlaufwerke, Magnetfeldsensoren und logische Bauelemente basieren auf der Magnetisierung dieser Materialien, um einen Ein-Domänen-Zustand aufrechtzuerhalten. In den letzten Jahrzehnten hat die Manipulation von mikro- und nanoskaligen Ein-Domänen-Elementen oder -Regionen mittels Magnetfeldern und elektrischen Strömen an Bedeutung gewonnen und sich zu einem prominenten Forschungsfeld entwickelt. Dennoch verspricht die Untersuchung nichtuniformer magnetischer Texturen eine Weiterentwicklung dieser Anwendungen und die Eröffnung neuer Lösungsansätze. In dieser Arbeit untersuchen wir verschiedene Anwendungen und grundlegende Eigenschaften nichtuniformer magnetischer Texturen, einschließlich magnetischer Wirbel, chiraler Domänen, Skyrmionen und Antiskyrmionen. Hierzu nutzen wir mikromagnetische Simulationen, die mit einem intern entwickelten Python-Paket durchgeführt werden. Dieses Paket implementiert ein Finite-Differenzen-Verfahren, um die Landau-Lifshitz-Gilbert-Gleichung numerisch zu lösen, wobei verschiedene energetische Beiträge berücksichtigt werden. Darüber hinaus kommen experimentelle Methoden wie Vibrationsmagnetometrie, Magnetowiderstands- und Hallmessungen, ferromagnetische Resonanz sowie Abbildungen im realen Raum mittels Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie, magnetischer Kraftmikroskopie und Röntgen-Mikroskopie mit polarisierter Strahlung zum Einsatz, um magnetische Materialien zu untersuchen, die überwiegend durch Magnetron-Sputtern hergestellt wurden. Diese kumulative Dissertation bietet einen umfassenden Überblick über verschiedene grundlegende und angewandte Konzepte im Bereich Magnetismus und magnetische Materialien und präsentiert elf Publikationen, die die Eignung nichtuniformer Spintexturen für Anwendungen in Speicher, Rechenoperationen oder Sensorik verdeutlichen. In dieser kumulativen Arbeit erläutern wir den Ursprung der nichtkollinearen Kopplung in synthetischen antiferromagnetischen Schichten, die auf die nichtuniforme Magnetisierung auf atomarer Ebene innerhalb der Zwischenschicht zurückzuführen ist. Darüber hinaus führen wir numerische und experimentelle Studien zu Skyrmionen und Antiskyrmionen in verschiedenen Materialsystemen durch, einschließlich $\mathrm{Mn_{1.4}Pt_{0.9}Pd_{0.1}Sn}$-, Fe/Gd/Ir- und Co/Ni-basierten Mehrschichtsystemen. Für das Heussler alloy $\mathrm{Mn_{1.4}Pt_{0.9}Pd_{0.1}Sn}$ zeigen wir, dass elliptische Skyrmionen durch Wärme und ein äußeres Magnetfeld in Antiskyrmionen umgewandelt werden können. Die ferrimagnetischen Fe/Gd/Ir-Mehrschichten weisen eine Vielzahl von Spintexturen auf, darunter Skyrmionen, triviale Blasen und Antiskyrmionen, die bei Raumtemperatur koexistieren – ein entscheidender Aspekt für potenzielle Anwendungen in skyrmionen-antiskyrmionen-basierten Racetrack-Speichern. In einer zusätzlichen numerischen Arbeit zeigen wir, dass diese Spinstrukturen durch Heterostrukturen, bestehend aus einer Skyrmion-schicht und einer Wirbel-nanodisk-Schicht, erzeugt und ausgelöscht werden können. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass sich die magnetischen Wirbelkerne mit Skyrmionen koppeln, was deren Manipulation durch Magnetfelder und elektrische Ströme ermöglicht. Zusätzlich beobachten wir, dass Skyrmionen und Antiskyrmionen mit beliebigen topologischen Ladungen aus topologischen Defekten, den sogenannten vertikalen Bloch-Linien, nukleiert werden können. Numerisch zeigen wir, dass höhergeordnete Skyrmionen durch elektrische Ströme bewegt werden können, ohne eine Querverschiebung zu erfahren. Die Fe/Gd-Mehrschichten zeichnen sich durch eine geringe Gilbert-Dämpfung aus und zeigen metastabile Zustände von Skyrmionen und Skyrmion-Gittern, wenn sie einem senkrechten Magnetfeld ausgesetzt sind. Wir haben Femtosekunden-Laserpulse eingesetzt, um die Resonanzmoden von Streifen, trivialen Blasen und Skyrmionen optisch anzuregen und zu modulieren. Eine deutliche Veränderung der Resonanzen wird in Abhängigkeit von der Bahn des angelegten Magnetfelds beobachtet, was auf eine hysteretische Skyrmion-Bildung zurückzuführen ist. Ein Doppel-Pump-Probe-Experiment zeigt, dass die Atemmoden von Skyrmionen verstärkt oder ausgelöscht werden können, wenn sie zwei Pumpen mit variierenden Verzögerungen ausgesetzt werden. Im Hinblick auf aktuelle Herausforderungen im Zusammenhang mit Magnetfeldsensoren adressieren wir das Problem des intrinsischen Offsets, der bei herkömmlichen Einzelgerät-Sensoren beobachtet wird. Wir schlagen ein Differentialmessverfahren für Einzelgeräte vor, das die Symmetrie von Spin-Orbit-Drehmomenten nutzt, um den Nullfeld-Offset zu reduzieren. Diese Methode wird auch auf ein W/CoFeB/MgO-Skyrmion-System angewendet, bei dem das Spin-Orbit-Drehmoment die symmetrische Bildung und Auslöschung achiraler Streifenphasen in Skyrmion-Texturen ermöglicht und damit die Detektion dreidimensionaler Magnetfelder erlaubt. Darüber hinaus erläutern wir, wie magnetische Wirbel in synthetischen Ferrimagneten genutzt werden können, um Spinwellen zu erzeugen, indem der Strom direkt durch den Stapel geleitet wird, wodurch auf Mikrowellenantennen verzichtet werden kann. Diese kumulative Dissertation bietet eine umfassende Einführung in die theoretischen und experimentellen Grundlagen der Untersuchung magnetischer Materialien mit nichtuniformen Magnetisierungstexturen. Durch experimentelle und rechnergestützte Untersuchungen zeigen wir, dass Spintexturen wie Skyrmionen und Antiskyrmionen besonders gut für Sensoranwendungen geeignet sind. Trotz anhaltender Herausforderungen bei ihrer Implementierung in Speichergeräte laufen Bemühungen zur Entwicklung neuer Konzepte. Darüber hinaus stellt die antennenfreie und gerichtete Anregung von Spinwellen ein zentrales Element dieser Forschung dar und leitet ein neues Paradigma im Bereich der angewandten Magnonik ein.
Abstract
(Englisch)
For over a century, soft ferro- and ferrimagnetic materials have been integral to a wide array of applications, contributing significantly to the technological advancements of the modern world. Predominantly, technologies such as hard disk drives, magnetic field sensors, and logical devices depend on the magnetization of these materials to maintain a single domain state. In recent decades, the manipulation of micron- and nanoscale single-domained elements or regions through magnetic fields and electrical currents has emerged as a prominent area of research. Nonetheless, the exploration of nonuniform magnetic textures holds promise for the development of improving these applications and offer new solutions. In this study, we explore various applications and fundamental characteristics of nonuniform magnetic textures, including magnetic vortices, chiral domains, skyrmions, and antiskyrmions. To achieve this, we employ micromagnetic simulations utilizing an in-house developed Python package, which implements a finite-difference scheme to numerically solve the Landau-Lifshitz-Gilbert equation while accounting for multiple energetic contributions. Moreover, experimental methodologies such as vibrating sample magnetometry, magnetoresistance and Hall measurements, ferromagnetic resonance, and real-space imaging via Lorentz transmission electron microscopy, magnetic force microscopy, and scanning transmission X-ray microscopy are employed to examine magnetic materials predominantly synthesized through magnetron sputtering. This cumulative thesis provides a comprehensive overview of several foundational and applied concepts within the domain of magnetism and magnetic materials, showcasing eleven publications that elucidate the viability of nonuniform spin textures for applications in storage, computing, or sensing. In this cumulative work, we elucidate the origin of noncollinear coupling in synthetic antiferromagnetic layers, attributed to the nonuniform magnetization at the atomic scale within the spacer layer. Moreover, we conduct both numerical and experimental studies of skyrmions and antiskyrmions across various material systems, including $\mathrm{Mn_{1.4}Pt_{0.9}Pd_{0.1}Sn}$, Fe/Gd/Ir-based, and Co/Ni-based multilayers. For the Fe/Gd/Ir-based system, we demonstrate that elliptical skyrmions can be transformed into antiskyrmions through the application of heat and an external magnetic field. The ferrimagnetic Fe/Gd/Ir multilayers are found to encompass a diverse array of spin textures, including skyrmions, trivial bubbles, and antiskyrmions coexisting at ambient temperature, which is crucial for potential applications in skyrmion-antiskyrmion-based racetrack memory. In additional numerical simulations, we demonstrate that these spin entities can be generated and annihilated using heterostructures composed of a skyrmion-hosting layer and a vortex-hosting nanodisk array. Our findings indicate that the magnetic vortex cores couple with skyrmions, enabling their manipulation via magnetic fields and electric currents. Additionally, we observe that skyrmions and antiskyrmions of arbitrary topological charge can be nucleated from topological defects known as vertical Bloch lines. We numerically demonstrate that higher-order skyrmions can be mobilized by electric currents without experiencing transverse deflection. The Fe/Gd multilayers are characterized by low Gilbert damping and exhibit metastable states of skyrmions and skyrmion lattices when subjected to an out-of-plane magnetic field. We employed femtosecond laser pulses to optically excite and modulate the resonance modes of stripes, trivial bubbles, and skyrmions. A distinct change in resonances is observed based on the trajectory of the applied magnetic field, which is attributed to hysteretic skyrmion formations. A dual pump-probe experiment reveals that the breathing modes of skyrmions can be amplified or annihilated when subjected to two pumps with varying delays. In transitioning to current challenges associated with magnetic field sensors, we address the issue of intrinsic offset observed in conventional single-device sensors. We propose a single-device differential measurement scheme that leverages the symmetry of spin-orbit torques to mitigate the zero-field offset. This same methodology is applied to a W/CoFeB/MgO multilayer skyrmionic system, wherein the spin-orbit torque facilitates the symmetric formation and annihilation of achiral stripe phases into skyrmionic textures, thereby enabling the detection of three-dimensional magnetic fields. Furthermore, we elaborate on how magnetic vortices in synthetic ferrimagnets can be utilized to generate spin waves by channeling the current directly through the stack, thus obviating the need for microwave antennas. This cumulative dissertation provides an extensive introduction to the theoretical and experimental foundations pertaining to the study of magnetic materials that exhibit nonuniform magnetization textures. Through experimental and computational investigations, we illustrate that spin textures, such as skyrmions and antiskyrmions, are particularly well-suited for sensing applications. Despite persistent challenges related to their deployment in storage devices, efforts are underway to cultivate novel concepts. Additionally, the antenna-free and directed excitation of spin waves constitutes a significant element of this research, heralding a new paradigm in the domain of applied magnonics.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Skyrmionen Mikromagnetische Simulationen Magnetfeldsensoren Magnonische Anwendungen nicht-uniforme magnetisierungszustände
Schlagwörter
(Englisch)
Skyrmions micromagnetic simulations magnetic field sensors magnonic applications nonuniform magnetization textures
Autor*innen
Sabri Koraltan 
Haupttitel (Englisch)
Nonuniform magnetic spin textures for sensing, storage and computing applications
Paralleltitel (Deutsch)
Nicht-uniforme magnetische Spin-Texturen für Sensorik-, Speicher- und Rechenanwendungen
Publikationsjahr
2025
Umfangsangabe
340 Seiten in verschiedenen Seitenzählungen : Illustrationen
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Kevin Garello ,
Joo-Von Kim
Klassifikation
33 Physik > 33.60 Kondensierte Materie. Allgemeines
AC Nummer
AC17465839
Utheses ID
74514
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |