Arbeitsgruppe

Magnetisierungsdynamik

Magnetisierungsdynamik

Die AG Magnetisierungsdynamik erforscht dynamische Prozesse in ferromagnetischen Dünnschicht-Systemen. Es werden Strukturen mit Schichtdicken im Bereich von 5 bis 50 Nanometern untersucht (dünne magnetische Filme). Bei weichmagnetischen Materialien, wie Eisen, Kobalt und Nickel sowie ihren Legierungen, liegen auf dieser Längenskala die fundamentalen magnetischen Längen – die sog. Austauschlängen. Die untersuchten Strukturen weisen laterale Kantenlängen von 50 Nanometern bis hin zu einigen Mikrometern auf und liegen damit in der technologisch bedeutsamen Größenordnung moderner magnetischer Speichermedien. Derzeitige technische Anwendungen zeichnen sich zudem durch immer kürzere Schaltzeiten auf, die in den Nano- und Subnanosekundenbereich vordringen. Diese intrinsische Zeitskala der Magnetisierungsdynamik ist durch die kreiselförmige Präzession einzelner magnetischer Momente (der Elektronenspins) bestimmt.

Sowohl der statische Gleichgewichtszustand als auch das dynamische Verhalten mikrostrukturierter magnetischer Systeme sind durch die äußere Form und die Größe einzelner Elemente bestimmt. Bei der Anregung mit schnell variierenden Magnetfeldern treten in mikromagnetischen Strukturen grundlegende dynamische Phänomene auf, wie die schnelle Bewegung magnetischer Domänenwände, die Dynamik magnetischer Vortizes (der Magnetisierungswirbel) sowie das schnelle Schalten der Magnetisierung. In magnetischen Mehrschichtsystemen kommt es zudem zur Kopplung von verschiedenen Materialschichten untereinander. Bei diesen Vorgängen ist der exakte Verlauf der magnetischen Relaxation nach der Anregung von großem Interesse. Beispielsweise sind der Ursprung und die Rolle der Dämpfung bei magnetodynamischen Prozessen einige der grundlegenden Fragestellungen, die bislang noch nicht abschließend geklärt werden konnten.

Die räumliche Ausdehnung der kleinsten mikromagnetischen Konfigurationen – der magnetischen Domänenwände und der magnetischen Vortexkerne – wird durch die charakteristische Austauschlänge bestimmt. Bei der technologisch wichtigen weichmagnetischen Nickel-Eisen-Legierung (Ni80Fe20, Permalloy) beträgt diese Länge weniger als 6 Nanometer. Um das statische und dynamische Verhalten solcher Strukturen detailliert erforschen zu können, werden zeitlich und räumlich hochauflösende Analyseverfahren benötigt. In unserer Arbeitsgruppe wird zur Visualisierung kleiner magnetischer Strukturen und zur Untersuchung ihrer Magnetisierungsdynamik die magnetische Röntgentransmissionsmikroskopie eingesetzt und weiterentwickelt.

Röntgentransmissionsmikroskopie
– Abbildung der Magnetisierungsdynamik -

Als fokussierende und abbildende Elemente bei der Transmissions-Röntgenmikroskopie werden sog. Fresnel-Zonenplättchen verwendet. Sie bestehen aus konzentrischen Ringen, die als kreisförmige Beugungsgitter dienen, und die weiche Röntgenstrahlung konstruktiv im Brennpunkt fokussieren. Mit modernen lithographischen Strukturierungsverfahren werden derzeit Zonenplatten hergestellt, die sehr hohe laterale Auflösungen von 20 Nanometern erreichen.

Es gibt zwei verschiedene Realisierungen des Transmissionsröntgenmikroskops. Bei einem abbildenden Röntgenmikroskop (Imaging Transmission X-ray Microscope, ITXM) wird die Probe vollständig ausgeleuchtet und das ganze Bild in Transmission von einer CCD-Kamera aufgenommen. Im Raster-Transmissionsröntgenmikroskop (engl. Scanning Transmission X-ray Microscope, STXM) wird die Probe rasterartig mit den Röntgenpulsen abgetastet und die transmittierte Intensität von einem Photodetektor gemessen.

Die weiche Röntgenstrahlung wird von einer Synchrotronstrahlungsquelle erzeugt. Unsere Messungen werden an der „Advanced Light Source“ in Berkeley, USA durchgeführt. http://www-als.lbl.gov

In einem Elektronenspeicherring – dem sog. Synchrotron – werden Elektronenpakete auf sehr hohe Geschwindigkeiten nahe der Lichtgeschwindigkeit beschleunigt. An bestimmten Stellen des Speicherrings werden die Elektronen durch starke Magnete abgelenkt und emittieren dabei sehr intensive, gebündelte und polarisierte Röntgenstrahlung. Die Polarisationseigenschaft dieser Synchrotronstrahlung ist die Voraussetzung, um magnetische Röntgenmikroskopie anwenden zu können. Als magnetischer Kontrastmechanismus wird dabei der sog. Röntgenzirkulardichroismus (engl. X-ray Magnetic Circular Dichroism, XMCD) verwendet. Aufgrund dieses Effektes wird die zirkular polarisierte Röntgenstrahlung abhängig von der relativen Orientierung der Magnetisierung zur Ausbreitungsrichtung der Photonen unterschiedlich stark absorbiert. Wenn die Magnetisierung in verschiedenen Bereichen der Probe in bzw. entgegen der Ausbreitungsrichtung der Röntgenstrahlung orientiert ist, führt der XMCD-Effekt zu einem Hell-Dunkel-Kontrast der aufgenommenen Intensität. Der Röntgenzirkulardichroismus tritt auf, wenn die Energie der Röntgenstrahlung mit einer elementspezifischen Absorptionskante eines magnetischen Atoms übereinstimmt. Dadurch ist es insb. in magnetischen Multilagen möglich, die lokale Magnetisierungsverteilung und die Spindynamik lagenweise und elementselektiv aufzulösen, indem man die Energie der Röntgenquanten auf die entsprechende elementspezifische Absorptionskante einstellt. Für die Visualisierung dynamischer Prozesse wird die gepulste zeitliche Struktur einer Synchrotronstrahlungsquelle benutzt. Die kurzen Röntgenblitze haben eine Dauer von weniger als 100 Pikosekunden. Die gängige Methode Magnetisierungsdynamik abzubilden, ist ein stroboskopisches „pump-and-probe“ – Experiment (das sog. Anrege-Abtast-Verfahren). Der magnetische Grundzustand wird durch periodische Magnetfeldpulse angeregt (die sog. „Pump“-Pulse) und anschließend stroboskopisch mit Röntgenblitzen (den „Probe“-Pulsen) sondiert.

Mikromagnetische Simulationen

Begleitend zu den Experimenten werden in unserer Arbeitsgruppe mikromagnetische Simulationen der Spindynamik durchgeführt. Diese gestatten einen detaillierten Einblick in den Prozess des Schaltens. Eine besondere Rolle spielt hierbei die Untersuchung des Schaltverhaltens von dünnen Permalloy-Plättchen, die mit externen Magnetfeldpulsen angeregt werden. Dabei werden neue Konzepte zur magnetischen Speicherung erforscht.

Bei quadratischer Form weisen diese Plättchen im Grundzustand ein sog. Landaumuster auf mit einem Vortex der Magnetisierung im Gebiet um das Zentrum des Elements. Im Vortexkern dreht sich die Magnetisierung in einem Bereich von etwa 20 Nanometern aus der Filmebene hinaus und steht senkrecht zur Ebene. Die Ausrichtung der Magnetisierung des Vortexkerns kann als Speicher von einem Informationsbit verwendet werden, da sie durch passende externe Magnetfelder von oben nach unten und umgekehrt umgeschaltet werden.

 
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