Computersimulationen zur Struktur und Dynamik von Domänenwänden

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2010
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Schieback, Christine
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Computer simulations of domain wall structures and dynamics
Publikationstyp
Dissertation
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Zusammenfassung

In this thesis magnetic domain walls in laterally confined ferromagnetic elements are studied, as well as the influence of a spin polarized current on domain wall motion (spin transfer torque effect). One important aspect is the impact of finite temperatures on domain walls. Computer simulations based on a classical extended Heisenberg approach are performed. Furthermore, a novel micromagnetic macrospin model for finite temperatures (Landau-Lifshitz-Bloch equation) is employed.
In magnetic nanostructures constrictions are a useful tool to position and manipulate domain walls. In this thesis we investigate the spin structure of domain walls in constrictions down to widths of 20nm at zero Kelvin. Depending on the details of the geometry, two types of domain walls, symmetric and asymmetric walls, are observed. In order to analyze the spin structures an opening angle of the domain wall is introduced and an average domain wall width is calculated.
Within the framework of the Landau-Lifshitz-Bloch equation derived by Garanin domain walls in Permalloy nanorings are investigated at finite temperatures. Vortex domain walls can be found in more narrow rings than in comparison to results of micromagnetic simulations at zero Kelvin. This trend is also observed in existing experiments performed at room temperature.
Apart from the influence of geometry on the domain wall structure current-induced domain wall motion is investigated. Rather than conventional micromagnetic methods, we use an extended classical Heisenberg spin model approach, which is well suited to study domain walls at elevated temperatures. We compute the behavior of domain walls in a one dimensional chain for the cases, that currents are injected using adiabatic and non-adiabatic spin torque terms. It is found that the influence of thermal fluctuations is pronounced close to the critical effective spin current, respectively close to the Walker threshold. The behavior observed depends strongly on the value of the nonadiabatic prefactor. For the adiabatic case as well as the nonadiabatic cases with nonadiabatic prefactors smaller than the Gilbert damping constant the domain wall velocities increase with increasing temperature. In contrast the domain wall velocities decrease with increasing temperature for cases with nonadiabatic prefactors larger than the Gilbert damping constant.
Furthermore current-induced domain wall motion is studied at finite temperatures using micromagnetic simulations. For this purpose we extend the Landau-Lifshitz-Bloch equation of motion by adding an adiabatic and nonadiabatic spin torque term. Here, the spin torque terms are now temperature dependent. We investigate analytically as well as numerically domain wall motion at various temperatures for the adiabatic and nonadiabatic cases. The Walker threshold as well as the domain wall velocities show a strong temperature dependence. Furthermore a different behavior is found for the temperature-dependent Walker threshold and domain wall velocities assuming the Gilbert form of damping or the Landau-Lifshitz form.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

In dieser Arbeit werden magnetische Domänenwände in lateral eingeschränkten ferromagnetischen Dünnschichtelementen und der Einfluss eines spinpolarisierten Stroms auf die Domänenwandbewegung untersucht. Ein wesentlicher Aspekt dieser Studien ist der Einfluss der Temperatur auf die Domänenwände. Im Rahmen dieser Arbeit werden sowohl atomistische Simulationen basierend auf einem klassischen erweiterten Heisenberg-Modell durchgeführt, als auch ein neuer mikromagnetischer Makrospinansatz bei endlichen Temperaturen (Landau-Lifshitz-Bloch-Gleichung) herangezogen.
In Nanostrukturen können künstliche Engstellen, so genannte Konstriktionen, eingebracht werden, um Domänenwände gezielt zu positionieren und zu manipulieren. In dieser Arbeit wird insbesondere der Einfluss von sehr schmalen Konstriktionen bis zu 20 Nanometer bei Null Kelvin untersucht. In den betrachteten Konstriktionen werden transversale Domänenwände beobachtet, die in Abhängigkeit von der Konstriktionsbreite in symmetrische und asymmetrische transversale Domänenwände unterteilt werden können. Für die Charakterisierung der Wände wird der Öffnungswinkel der Domänenwand definiert, der es ermöglicht, eine neue Art der Domänenwandbreite zu bestimmen.
Um Domänenwände in Permalloy Nanoringen bei endlichen Temperaturen zu untersuchen, wird die von Garanin entwickelte Landau-Lifshitz-Bloch-Gleichung herangezogen. Mit diesem neuen mikromagnetischen Ansatz, kann belegt werden, dass Vortexdomänenwände schon in dünneren Ringstrukturen auftreten, als es mikromagnetischen Rechnungen bei Null Kelvin bislang vermuten ließen. Was gleichfalls in experimentellen Untersuchungen bei Raumtemperatur beobachtet wird.
Neben dem Einfluss der Geometrie ist die Wirkung eines spinpolarisierten Stroms auf Domänenwände, der so genannte spin transfer torque Effekt, eine zentral bearbeitete Themenstellung dieser Arbeit. Es werden erstmals Simulationen basierend auf einem atomistischen, klassischen Heisenberg-Modell von Kopf-an-Kopf Domänenwänden in einer Spinkette zum adiabatischen und nichtadiabatischen spin torque Effekt durchgeführt. Diese Behandlungsweise ist eine signifikante Erweiterung gegenüber bestehenden mikromagnetischen Rechnungen und analytischen Voraussagen, da hiermit zusätzlich der Einfluss der Temperatur auf die Domänenwandbewegung untersucht werden kann. Ein Ergebnis ist, dass der Einfluss der thermischen Fluktuationen im Bereich des kritischen effektiven Spinstroms beziehungsweise in der Nähe des Walker-Spinstroms am größten ist. Im adiabatischen Fall werden auch für effektive Spinströme unterhalb des kritischen Spinstroms endliche Domänenwandgeschwindigkeiten beobachtet im Gegensatz zum Null Kelvin Fall. Generell nimmt die Domänenwandgeschwindigkeit für den adiabatischen spin torque Fall und alle nichtadiabatischen Fälle, deren Nichtadiabatizitätsfaktor kleiner als die Gilbert-Dämpfungskonstante ist, zu. Andererseits werden für Nichtadiabatizitätsfaktoren, die größer als die Dämpfungskonstante sind, mit zunehmender Temperatur kleinere Geschwindigkeiten gefunden.
In einem weiteren Teil dieser Arbeit wird die Domänenwandbewegung bei endlichen Temperaturen mittels mikromagnetischer Simulationen untersucht. Dazu wird die Landau-Lifshitz-Bloch-Gleichung mit dem adiabatischen und nichtadiabatischen spin torque Term erweitert. Bei diesen Erweiterungen werden über bestehende Studien hinaus der Einfluss der Temperatur auf den Spinstrom berücksichtigt. Anhand analytischer sowie numerischer Methoden kann gezeigt werden, dass sowohl der effektive Walker-Spinstrom als auch die Domänenwandgeschwindigkeit eine starke Temperaturabhängigkeit besitzen. Ein zentrales Ergebnis dieser Studien ist, dass sich qualitativ unterschiedliche Resultate sowohl für die temperaturabhängigen Domänenwandgeschwindigkeiten als auch für die Walker-Spinströme ergeben, je nachdem welche Art der Dämpfung, Gilbert oder Landau-Lifshitz, angenommen wird.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik
Schlagwörter
Domänenwand, Spin-Torque, Domänenwandbewegung, magnetic domain wall, spin structure, domain wall propagation, spin transfer torque
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ISO 690SCHIEBACK, Christine, 2010. Computersimulationen zur Struktur und Dynamik von Domänenwänden [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
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February 9, 2010
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