Gaussian-Pulse-Induced Magnetic Vortex Dynamics in Ferromagnetic Nanostructures

Abstract

This thesis employed micromagnetic simulations, analytical calculations, and experiments to investigate the dynamic behaviors of a magnetic vortex driven by Gaussian pulses in ferromagnetic nanostructures. The magnetic vortex is a unique ground state magnetization configuration in submicron-sized ferromagnetic elements resulting from competition between the exchange and the magneto-static energies. These vortex structures are characterized by out-of-plane magnetizations in the core region and in-plane curling magnetizations around the core. Magnetic vortices in patterned magnetic dots are very promising candidates for information storage applications, not only because of the energetically stable twofold ground state of their core magnetization, but also due to a reliable core-switching mechanism already explored. Moreover, the gyrotropic motion of a magnetic vortex confined to nanostructures is of interest for applications in magneto-electronic devices in which the vortex core serves as a signal transfer units. In this work, we verified experimentally that two orthogonally applied unipolar Gaussian-pulse currents of optimized pulse width and time delay are an energy-efficient means of switching the twofold ground state of vortex-core magnetization, opening the path for reliable read/write operations and an easy-to-implement alternative to the cross-point-architecture magnetic-random-access-memory scheme. In addition, we also demonstrated that the oscillations of the vortex core in a confined disk can be resonantly amplified by applying a Gaussian-pulse train of magnetic fields, the pulse widths and time delays of which are optimized according to the eigenfrequency for the given vortex-state. In this way, extremely low-power-consumption signal input and signal amplification of the vortex gyrations becomes possible.

자기소용돌이는 수 마이크로 혹은 그 이하 크기의 자성 박막에 안정적으로 형성되는 독특한 스핀 배열구조이다. 자기소용돌이는 박막 면에 수직하며 위 또는 아래의 자화방향을 가지는 수십 나노미터 크기의 자기소용돌이 핵과, 박막 면과 평행하며 핵 주변을 회전하는 형태로 배열된 스핀 성분들로 구성된다. 자기소용돌이 구조는 열적으로 매우 안정할 뿐만 아니라, 핵의 두 가지 자화방향을 이용하여 정보를 저장할 수 있어 비휘발성 정보저장소자로 응용이 가능하다. 더불어 1차원 또는 2차원으로 배열된 자기소용돌이들 사이에서 집단적으로 나타나는 자기소용돌이의 동적 회전운동은 새로운 신호전달의 수단으로 이용될 수 있다. 본 학위 논문에서는 이론, 전산모사 및 실험을 이용하여 자기소용돌이의 동적 거동, 특히 가우시안 펄스 형태의 자기장 인가에 따른 자기소용돌이의 동적 회전운동 및 자기소용돌이 핵의 자화방향 제어에 관한 연구를 수행하였다. 자기소용돌이 핵의 자화방향 제어를 위해 서로 직교하는 두 가우시안 펄스 형태의 자기장에 의해 형성되는 회전자기장을 자기소용돌이에 인가하였다. 인가된 회전자기장의 회전방향과 자기소용돌이 핵 자화방향의 상대적인 관계에 따라 자기소용돌이의 동적 거동이 결정되며, 이 동적 거동을 이용하여 자기소용돌이 핵의 자화방향을 선택적으로 제어할 수 있음을 실험을 통하여 규명하였다. 또한 효율적인 자기소용돌이 핵의 자화방향 제어를 위해 이론 및 전산모사를 이용하여 각 펄스 자기장의 형태를 최적화 하였으며, 이를 실험으로 검증하였다. 자기소용돌이를 이용한 정보저장소자의 실현 가능성을 확인하기 위해 2 ☓ 2 자기소용돌이 배열과 교차되는 도선들로 이루어진 시편을 제작하였다. 직교되는 하나의 전극 쌍을 선택하여, 가우시안 펄스 형태의 전류를 인가하는 경우, 두 도선의 교차점에 배치된 자기소용돌이에만 회전자기장을 인가할 수 있으며, 이를 이용하여 원하는 위치의 자기소용돌이 핵만을 선택적으로 제어할 수 있음을 실험으로 규명하였다. 또한 시간분해능 실험을 통하여 자기소용돌이의 동적 회전운동이 연속되는 가우시안 펄스 형태의 자기장에 의해 공명 증폭이 될 수 있음을 실험으로 규명하였다. 공명 증폭을 최대화시키기 위해 이론 및 전산 모사를 이용하여 인가된 자기장의 형태를 최적화 하였으며, 이를 실험으로 검증하였다.