Micromagnetic Simulation and X-ray Microscopy of Field- and Current-Induced Magnetization Dynamics in Ferromagnetic Nanostructures

Diese Arbeit behandelt die statischen und dynamischen Eigenschaften von Nano- und Mikrometer-grosen Ferromagneten in Wechselwirkung mit zeitabhangigen Stromen und Magnetfeldern. Die Untersuchungen wurden mit Hilfe von mikromagnetischen Simulation, Magnetowiderstandsmessungen und Rontgenmikroskopie durchgefuhrt. Zunachst wurden die magnetischen Grundzustande von Eisen, Nickel und Permalloy-Mikroelementen in Arrays in Abhangigkeit von Abstand, Filmdicke sowie Starke und Richtung des externen Feldes untersucht. Die Magnetisierungsdynamik dunner Permalloy-Quadrate, die durch Nanosekunden-Magnetfeldpulse angeregt wurden, wurde dann mit Hilfe mikromagnetischer Simulationen studiert. Das sich ergebende Spinwellenspektrum wurde mit aktuellen Theorien verglichen. Die magnetischen Eigenmoden in dunnen Permalloy-Plattchen, die durch periodische Anregung entstehen, wurden ebenfalls simuliert und mit Rontgenmikroskopie-Daten verglichen. Dann habe ich den Einfluss der lokalen Magnetisierung auf elektrische Strome mit Hilfe von Simulationen und Messungen des Anisotropen Magnetowiderstands (AMR) sowie durch gleichzeitige Detektion des AMRs und der Domanenstruktur durch Rontgenmikroskopie untersucht. Schlieslich wurden alle Themen und Mesmethoden zusammengefuhrt, um die Magnetisierungsanderungen durch spin-polarisierte Strome und Magnetfelder zu bestimmen. Domanenwand-Oszillationen durch spin-polarisierte ac-Strome und der Einflus von Nanosekunden-Strompulsen auf Domanenwande wurden numerisch und mit Hilfe von Rontgenmikroskopie untersucht. Zeit- und phasen-auflosende Rontgenmikroskopie und mikromagnetische Simulationen halfen, die Dynamik von strom- und feldgetriebenen magnetischen Vortizes und Antivortizes zu verstehen. Diese Arbeit ist in Zusammenarbeit mit vielen Wissenschaftlern aus mehreren Forschungsgruppen entstanden. In den einzelnen Kapiteln habe ich mich auf meinen Beitrag in diesen Kollaborationen konzentriert. Es liegt jedoch in der Natur und im Zweck der Sache begrundet, dass gegenseitiges Mitteilen und Lernen zu einer Vermischung von Gedankengut fuhren. Deshalb ist es oft nicht moglich, eine vollstandige Trennung der Beitrage durchzufuhren. In den einzelnen Kapiteln habe ich mich dennoch bemuht, die einzelnen Beitrage zu trennen. This thesis deals with the static and dynamic properties of nano- and micrometer-sized ferromagnets in interaction with time-dependent electric currents and magnetic fields studied by micromagnetic simulation, magnetoresistance measurements, and X-ray microscopy. First equilibrium magnetization configurations of iron, nickel and permalloy microelements in arrays were studied depending on inter-element distance, film thickness, as well as strength and direction of applied magnetic fields. The magnetization dynamics of thin permalloy squares in response to nanosecond short magnetic field pulses was then investigated with an enhanced micromagnetic simulation code, and the extracted spin-wave spectrum was compared to current theories of spin-wave eigenmodes. The magnetic eigenmodes of a thin permalloy platelet to periodic field excitation were also studied by micromagnetic simulation and compared to X-ray microscopy data. Then I investigated the influence of the local magnetization on the electric current by means of micromagnetic simulations and measurements of the anisotropic magnetoresistance (AMR) effect. These studies were done by comparing measured AMR signals to those from micromagnetic simulations as well as performing AMR measurements and X-ray microscopy simultaneously on the same samples. Finally, these topics and techniques are brought together in a study of the magnetization changes in permalloy wires and rectangles due to spinpolarized currents and magnetic fields. Domain-wall oscillations driven by spin-polarized ac-currents and the interaction of nanosecond current pulses with domain walls were investigated numerically and by X-ray microscopy. Time- and phase resolving X-ray microscopy and micromagnetic simulations were used to study the dynamics of magnetic vortices and antivortices driven by ac-currents and magnetic fields. This thesis encompasses the work of several people from different research groups through a number of collaborations. In the individual chapters I focussed on my contributions within these collaborations from the work of the other members. However, as the nature and beauty of scientific collaborations is the mutual sharing and learning that is beneficial and inspiring for all participants, it is impossible to fully isolate my part from the final results. In the individual chapters of this thesis I nevertheless tried to clarify my contributions.