Spin-wave excitations in multiferroic heterostructures and CoFeB/YIG bilayers
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2018-10-12
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2018
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
80 + app. 94
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 187/2018
Abstract
Spin waves are collective excitations in magnetic materials that can exhibit long coherence lengths, high group velocities, and wavelengths down to the nanometer scale. The properties of spin waves could be exploited in low-power wave-like computing and in other devices such as microwave filters and data storage elements. In contrast to the motion of electrons, spin waves propagate via transmission of angular momentum. Power dissipation by Joule heating can thus be avoided. In this thesis, I present results on spin-wave excitation and confinement in strain-coupled multiferroic heterostructures and YIG/CoFeB bilayers. The multiferroic heterostructures consist of a ferroelectric BaTiO3 substrate with a regular pattern of ferroelastic stripe domains and a ferromagnetic film. Strain coupling at the interface imprints an anisotropy pattern in the ferromagnetic film via inverse magnetostriction. As a result, the domain pattern of the BaTiO3 substrate is fully transferred to the ferromagnetic film and magnetic domain walls are firmly pinned by the induced anisotropy boundaries. The pinned magnetic domain walls can be used to excite short-wavelength spin waves using an ac electric current. In this case, the spin-polarized current drives the domain wall into oscillatory motion, causing spin-wave emission at the same frequency as the actuation signal. If the same multiferroic system is saturated by an external magnetic field and excited by a uniform microwave field, standing spin waves form within the domains and propagating spin wave are emitted from the anisotropy boundaries. Here, rotations of the anisotropy axis with respect to the direction of magnetization create a regular modulation of the effective field. The launching of spin waves from a single anisotropy boundary is explained by coupling between two forced magnetization precessions in neighboring stripe domains. A similar mechanism is also responsible for the excitation of perpendicular standing spin waves in exchange-coupled YIG/CoFeB bilayers. In this system, forced precession in YIG and CoFeB generate a dynamic exchange torque at the interface. Lastly, multiferroic heterostructures are used to study spin wave transmission through narrow and wide 90° domain walls. Deterministic switching between these wall types is realized by realigning the magnetization from a head-to-tail (narrow wall) to a head-to-head (broad wall) configuration. Brillouin light scattering experiments and micromagnetic simulations demonstrate that this reversible switching effect toggles the transmission of spin waves from nearly 0% to 100%. Reconfigurable modulations of spin-wave transmission could be used in logic devices or non-volatile memory cells.Spin-aallot ovat kollektiivisia viritystiloja magneettisissa materiaaleissa. Näillä aalloilla voi olla pitkä koherenssipituus, korkea ryhmänopeus ja aallonpituus nanometriluokassa. Aaltoluonnetta voidaan käyttää energiatehokkaassa laskennassa ja muissa laitteissa kuten mikroaaltosuodattimissa ja muistielementeissä. Koska spin-aaltojen eteneminen ei vaadi elektronien liikettä, Joule-häviöt voidaan välttää. Tässä väitöskirjassa esitän tuloksia spin-aaltojen luomisesta venymäkytketyissä moniferroisissa rakenteissa ja YIG/CoFeB kaksikerroskalvoissa. Moniferroinen materiaali perustuu BaTiO3 aihiosta, jossa on säännöllinen ferroelastinen raitadomainrakenne, sekä ferromagneettisesta kalvosta. Venymäkytkeymä aihion rajapinnalla aiheuttaa anisotropian muodostumisen ferromagneettisen kalvoon käänteisen magnetostriktion kautta, jolloin anisotropia-akselit seuraavat täydellisesti aihion domainrakennetta ja domainseinämät jäätyvät rajapintaan. Jäätynyttä seinämää voidaan käyttää lyhyiden spin-aaltojen luomiseen ajamalla vaihtovirtaa seinämän läpi. Sähkövirta aiheuttaa seinämän edestakaisen liikehdinnän, joka säteilee spin-aaltoja käytetyllä ajotaajuudella. Jos sama moniferroinen rakenne on saturoituneessa tilassa, seisovia spin-aaltoja muodostuu anisotropiaraitarakenteisiin sekä eteneviä spin-aaltoja säteilee rajapinnasta. Tässä tapauksessa, anisotropia-akselin kääntyminen suhteessa magnetisaatioon aiheuttaa säännöllisen ja nopean muutoksen efektiivisessä magneettikentässä. Spin-aaltojen säteileminen johtuu naapurialueiden erilaisista pakotetuista oskillaatioamplitudeista. Sama mekanismi synnyttää seisovia spin-aaltoja YIG/CoFeB kaksikerrosrakenteissa, joissa dynaaminen vaihtovuorovaikutus kalvojen rajapinnalla säteilee aaltoja YIG-kalvoon. Moniferroista materiaalia käytetään myös tutkimaan 90o domainseinämän vaikutusta spin-aaltojen etenemiseen. Seinämän leveyttä voidaan determinisesti muokata kapean ja leveän välillä kääntämällä magnentisaation suunta kärki-perä asetelmasta kärki-kärki asentoon. Brillouin sirontakokeilla ja mikromagneettisilla simulaatioilla näytetään, että spin-aaltojen transmissio muuttuu nollasta lähes 100% kun seinämän tilaa muutetaan. Tätä suurta muutosta voitaisiin käyttää esimerkiksi spin-aalto logiikassa tai stabiileina muistielementteinä.Description
Supervising professor
van Dijken, Sebastiaan, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandKeywords
spin waves, multiferroic heterostructures, magnonics, spin aallot, moniferroiset heterorakenteet, magnoniikka
Other note
Parts
-
[Publication 1]: Kévin J.A. Franke, Diego López González, Sampo J. Hämäläinen, Sebastiaan van Dijken. Size Dependence of Domain Pattern Transfer in Multiferroic Heterostructures. Physical Review Letters, 112, 017201, January 2014.
DOI: 10.1103/PhysRevLett.112.017201 View at publisher
-
[Publication 2]: Kévin J.A. Franke, Ben Van deWiele, Yasuhiro Shirahata, Sampo J. Hämäläinen, Tomoyasu Taniyama, Sebastiaan van Dijken. Reversible Electric-Field-Driven Magnetic Domain-Wall Motion. Physical Review X, 5, 011010, February 2015.
DOI: 10.1103/physrevx.5.011010 View at publisher
-
[Publication 3]: Arianna Casiraghi, Teresa Rincón Domínguez, Stefan Rößler, Kévin J.A. Franke, Diego López González, Sampo J. Hämäläinen, Robert Frömter, Hans Peter Oepen, Sebastiaan van Dijken. Influence of elastically pinned magnetic domain walls on magnetization reversal in multiferroic heterostructures. Physical Review B, 92, 054406, August 2015.
DOI: 10.1103/PhysRevB.92.054406 View at publisher
-
[Publication 4]: Ben Van de Wiele, Sampo J. Hämäläinen, Pavel Baláž, Federico Montoncello, Sebastiaan van Dijken. Tunable short-wavelength spin wave excitation from pinned magnetic domain walls. Scientific Reports, 6, 21330, February 2016.
DOI: 10.1038/srep21330 View at publisher
-
[Publication 5]: Sampo J. Hämäläinen, Florian Brandl, Kévin J.A. Franke, Dirk Grundler, Sebastiaan van Dijken. Tunable Short-Wavelength Spin-Wave Emission and Confinement in Anisotropy-Modulated Multiferroic Heterostructures. Physical Review Applied, 8, 014020, July 2017.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.8.014020 View at publisher
-
[Publication 6]: Pavel Baláž, Sampo J. Hämäläinen, Sebastiaan van Dijken. Static properties and current-induced dynamics of pinned 90 magnetic domain walls under applied fields: An analytic approach. Physical Review B, 98, 064417, August 2018.
DOI: 10.1103/PhysRevB.98.064417 View at publisher
- [Publication 7]: Sampo J. Hämäläinen, Marco Madami, Huajun Qin, Gianluca Gubbiotti, Sebastiaan van Dijken. Programmable control of spin-wave transmission in a domain-wall spin valve. Submitted to Nature Communications, May 2018
- [Publication 8]: Huajun Qin, Sampo J. Hämäläinen, Sebastiaan van Dijken. Exchangetorque-induced excitation of perpendicular standing spin waves in nanometerthick YIG films. Scientific Reports, 8, 5755, April 2018.DOI: 10.1038/s41598-018-23933-y
