Magnetization dynamics and energy dissipation in magnetic thin films

Abstract

Magnetic thin films are layers of magnetic material ranging from ultrathin films, consisting of only a few atomic layers, up to few micrometers in thickness. The magnetization configurations of magnetic thin films display a wide variety of complex patterns, including bubbles domains, maze patterns and topological solitons or defects. Under the influence of e.g. external magnetic field, the magnetization exhibits rich dynamics, from avalanche-like domain wall jumps in Barkhausen noise to nucleation and annihilation of vortices and antivortices in in-plane anisotropy films. Magnetic thin films are researched extensively due to their unique properties and potential for nano- and microscale applications, such as magnetic memory devices and microelectromechanical systems (MEMS). When the magnetization of a magnet goes through a change due to e.g. domain wall motion in the aforementioned Barkhausen noise, the elementary magnetic moments of the system experience motion called Larmor precession, which slowly winds down as the magnetization relaxes into a new configuration. This relaxation results from couplings between magnetic, electric and phononic degrees of freedom, which transfer energy from the magnetic moments to the lattice, where the energy is then dissipated as heat. These magnetic losses are relevant in applications where there are alternating electromagnetic fields or components moving in such fields, such as transformers, electric motors and magnetic bearings. In this dissertation, we study magnetic losses in thin films using micromagnetic simulations, with emphasis on the magnetization dynamics and dissipation resulting from the motion of a magnetic thin film in an external field or relative to another film. Publication I focuses on the dynamics of topological defects and energy dissipation in a Permalloy thin film experiencing a relaxation from an initially random magnetization state. In publication II, we develop an extension capable of simulating moving thin films to an existing micromagnetic simulation code. Publications III and IV use the extension to investigate domain wall dynamics and the resulting losses in response to motion in thin films with perpendicular magnetic anisotropy. Publication III investigates the damping of high-frequency mechanical oscillation due to magnetic dynamics, while publication IV considers magnetic losses due to domain wall motion in films with disorder.

Magneettiset ohutkalvot ovat magneettisesta materiaalista valmistettuja kerroksia, joiden paksuus vaihtelee kalvosta riippuen muutamasta atomikerroksesta (ns. ultraohut kalvo) muutamaan mikrometriin. Magneettisissa ohutkalvoissa esiintyy monipuolisia magnetisaatiorakenteita, kuten magneettisia kuplia, sokkelomaisia kuvioita ja topologisia solitoneja tai defektejä. Magnetisaation dynamiikka, joka voidaan saada aikaan esimerkiksi ulkoista magneettikenttää käyttäen, on mag-neettisissa ohutkalvoissa hyvin monimuotoista, sisältäen muun muassa magneettisten seinämien vyörymäisiä liikkeitä (niin kutsuttua Barkhausenin kohinaa) sekä vorteksien ja antivorteksien synty- ja annihilaatioprosesseja tasoon magnetoituneissa ohutkalvoissa. Magneettisia ohutkalvoja tutkitaan paljon niiden erityisten magneettisten ominaisuuksien sekä potentiaalisten sovellusten, kuten magneettisten muistien ja mikroelektromekaanisten systeemien (MEMS) vuoksi. Magnetisaation muutos, esimerkiksi magneettisen seinämän liikkuessa edellämainitussa Barkhausenin kohinassa, saa materiaalin alkeismagneeteissa aikaan pyörimisliikkeen, joka tun-netaan Larmorin prekessiona. Tämä prekessioliike vaimenee nopeasti, ja magnetisaatio mukautuu uuteen konfiguraatioon. Liikkeen vaimeneminen johtuu kytkennöistä aineen magneettisten, sähköisten ja fononisten vapausasteiden välillä, jotka muuntavat magneettisten momenttien liike-energiaa hilarakenteen lämpövärähtelyiksi. Tämänkaltaiset magneettiset häviöt ovat oleellisia sovelluksissa, joissa on muuttuvia sähkömagneettisia kenttiä tai liikkuvia komponentteja sähkömagneettisissa kentissä, kuten muuntajissa, sähkömoottoreissa ja magneettisissa laakereissa. Tässä työssä tutkitaan magneettisia häviöitä ohutkalvoissa mikromagnetismisimulaatioiden avulla. Tutkimuksen painopisteenä ovat magnetisaation dynamiikka ja häviöt, jotka johtuvat ohutkalvon liikkeestä joko ulkoisessa kentässä tai suhteessa toiseen ohutkalvoon. Julkaisu I keskittyy topologisten defektien dynamiikkaan ja energiahäviöihin Permalloy-ohutkalvossa, joka relaksoituu satunnaisesta magneettisesta konfiguraatiosta. Julkaisussa II kehitämme olemassaolevaan mikromagnetismisimulaatio-ohjelmistoon laajennuksen, jolla voimme tutkia liikkuvia ohutkalvoja. Julkaisut III ja IV käyttävät laajennusta magneettisten seinämien dynamiikan ja siitä johtuvien häviöiden tutkimiseen kohtisuoran magneettisen anisotropian ohutkalvoissa. Julkaisussa III syvennytään magnetisaatiodynamiikan aiheuttamaan korkeataajuisen mekaanisen oskillaation vaimenemiseen, ja julkaisussa IV keskitytään magneettisiin häviöihin, jotka johtuvat magneettisten seinämien liikkeestä epäjärjestystä sisältävissä ohutkalvoissa.