Gemischt-ferromagnetisch-antiferromagnetische Hybridphase von Streifen- und "Bubble"-Domänenstrukturen für magnonische Kristall und "Race-Track"-Anwendungen

• Antragsteller: Professor Dr. Olav Hellwig
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 514946929

In diesem Projekt untersuchen wir eine neue magnetische Hybridstruktur mit senkrechter magnetischer Anisotropie (SMA) bestehend aus periodischen ferromagnetischen (FM) senkrecht-magnetisierten Streifen- und „Bubble“-Domänen mit antiferromagnetischen (AFM) „in-plane“ magnetisierten Bloch-Typ- oder gemischt Bloch-Neel-Typ Domänenwänden. Hierzu verwenden wir magnetische Doppelmultilagen Dünnschichtsysteme zur präzisen Einstellung der verschiedenen magnetischen Energiebeiträge, um so die neuartige FM/AFM-gemischte Phase zu stabilisieren. Wir zielen hierbei auf eine Energetik ab, die durch eine starke SMA gepaart mit mit hohen Demagnetisierungsfeldern geprägt ist, um somit hochperiodische Streifendomänenzustände zu erzeugen [1-3]. Eine zusätzlich eingebrachte, relativ schwache, AFM Interlagen-Austauschkopplung (IAK) beeinflusst in dieser Energiekonstellation nur die magnetische Struktur in den „in-plane“-Domänenwänden, da für die Streifendomänen die Demagnetisierungsenergie überwiegt, welche einen FM Domänenzustand begünstigt. Nach der Untersuchung der exakten Struktur dieser neuen Phase mittels experimenteller Techniken (Magnetometrie, Rasterkraftmikroskopie und Lorentz-Transmissionselektronenmikroskopie) und mikromagnetischer Simulationen planen wir, die statischen und feldabhängigen Eigenschaften dieser neuen FM/AFM-Hybridphase im Detail zu studieren. Dabei bestimmen wir ebenfalls den Stabilitätsbereich dieser Phase in Abhängigkeit von den Energietermen SMA, Demagnetisierung, AFM-IAK, sowie zusätzlich der Zeeman-Feldenergie. Insbesondere erforschen wir die Stabilisierung hochperiodischer remanenter paralleler Streifendomänen und quasihexagonaler „Bubble“-Domänenstrukturen durch zuvor gezielt angelegte magnetische Feldsequenzen [3]. Im Anschluss untersuchen wir zwei mögliche Anwendungsbereiche für diese neue FM/AFM Hybridstruktur: 1) Magnetische “race track memory”-Systeme basierend auf der kontrollierten Bewegung magnetischer “Bubble”-Domänen durch elektrische Strompulse entlang lithographisch oder anderweitig definierter Kanäle [4,5] mittels Hall-Effekt Analyse und magnetischer Rasterkraftmikroskopie 2) Herstellung und Optimierung von reprogrammierbaren selbst-organisierten magnonischen Kristallstrukturen auf der Basis von hochperiodischen parallelen Streifendomänen [6,7]. [1] O. Hellwig et al., J. Mag. Mag. Mat. 319, 13 (2007). [2] O. Hellwig et al., Physica B: Condensed Matter 336, 136 (2003). [3] L. Fallarino et al., Phys. Rev. B 99, 024431 (2019). [4] S. S. P. Parkin et al., Science 320, 190 (2008). [5] R. Tomasello et al., Scientific Reports 4, 6784 (2014). [6] C. Banerjee et al., Phys. Rev. B 96, 024421 (2017). [7] P. Gruszecki et al., Book chapter in “SSP-70 -RECENT ADVANCES IN TOPOLOGICAL FERROICS AND THEIR DYNAMICS and in Solid State Physics, Volume 70 (2019).

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Indien, Polen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Anjan Barman; Professor Dr. Maciej Krawczyk