Current Induced Magnetization Dynamics in Nanostructures

Abstract

Předkládaná dizertační práce pojednává o problematice pohybu doménových stěn (DS) vyvolaného spinově polarizovaným proudem v magnetických nanodrátech na bázi spinového ventilu NiFe/Cu/Co. Jedná se o tzv. efekt přenosu spinového momentu. Multivrstevnatý systém NiFe/Cu/Co, kde se doménová stěna pohybuje ve vrstvě NiFe, vykazuje velmi vysokou účinnost přenosu spinového momentu, což bylo v literatuře potvrzeno na základě magnetotransportních měření. Tato práce má za cíl pozorovat stav DS během jejich pohybu, pomocí fotoelektronové mikroskopie kombinované s kruhovým magnetickým dichroismem. Tato technika využívá synchrotronové záření, které svým časovým rozlišením umožňuje sledovat dynamickou odezvu magnetizace na elektrický proud. Podstatnou částí řešení byla optimizace růstu vrstev NiFe/Cu/Co kvůli snížení magnetické dipolární interakce mezi vrstvami. V práci je také řešen způsob přípravy nanodrátů litografickými metodami. Byly provedeny dva módy měření: i) kvazistatický, tj. pozorování DS před a po injekci proudu do nanodrátu a ii) dynamické měření, kde je DS sledována během působení proudového pulzu. S využitím kvazistatickém módu byla vypracována rozsáhlá statistika pohybu DS: i) byly naměřeny jejich vysoké rychlosti přesahující 600 m/s za působení průměrné proudové hustoty nutné k posuvu doménové stěny - 5x10^11 A/m^2; ii) DS jsou v systému NiFe/Cu/Co velmi silně zachycovány dipolární interakcí mezi NiFe a Co způsobenou nehomogenitou krystalové struktury ve vrstvě Co. V dynamickém módu bylo odhaleno, že působením Oerstedovského pole kolmého na nanodráty v rovině vzorku se magnetizace ve vrstvě NiFe silně natáčí. Tento efekt přispívá k vysokým rychlostem DS pozorovaných v nanodrátech NiFe/Cu/Co.

This thesis deals with the study of current-induced magnetization dynamics and domain wall (DW) motion in NiFe/Cu/Co nanowires, induced by the so-called spin-transfer torque effect. Prior to this work, transport measurements had proven that in this trilayer system, DWs in NiFe can be moved with relatively low current densities, suggesting a particularly high spin-torque efficiency. The aim of this study has been to use photoemission electron microscopy combined with x-ray magnetic circular dichroism at synchrotron radiation sources to observe directly the magnetic configurations in the trilayers and their evolution during and after the application of nanosecond current pulses. An important step of the work has been to optimize the growth of the NiFe/Cu/Co layers, in the view of increasing interface quality and minimize interlayer coupling. The process of nanowire patterning by e-beam lithography has also been optimized. Two kinds of measurements have been carried out: i) quasi static measurements, where the domain configuration is observed before and after the application of current pulses and ii) dynamic measurements, where the magnetic configuration has been observed during the application of current pulses. The first measurements have allowed us to study the statistical behaviour of DWs under the application of current pulses: on one hand, the domain wall velocities reach extremely high values for relatively low current densities (up to 600 m/s for 5x10^11 A/m^2). On the other hand, DW motion over distances larger than 2-3 microns is strongly hindered by pinning. Time-resolved measurements during the current pulses, carried out for the first time by our team, have allowed us to demonstrate that the NiFe magnetization is strongly tilted in the direction transverse to the nanowire direction, due to the presence of a transverse Oersted field. This effect might contribute to the enhancement of DW velocities in the NiFe layers.