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Dissertation zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:gbv:18-87106
URL: http://ediss.sub.uni-hamburg.de/volltexte/2017/8710/


Confinement effects and stability of spin-spirals and skyrmions in ultrathin magnetic films

Hagemeister, Julian Claudius

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SWD-Schlagwörter: Magnetismus , Skyrmion-Modell
Freie Schlagwörter (Englisch): Magnetism
Basisklassifikation: 33.75 , 33.61
Institut: Physik
DDC-Sachgruppe: Physik
Dokumentart: Dissertation
Hauptberichter: Wiesendanger, Roland (Prof. Dr.)
Sprache: Englisch
Tag der mündlichen Prüfung: 17.02.2017
Erstellungsjahr: 2016
Publikationsdatum: 05.09.2017
Kurzfassung auf Englisch: Magnetic skyrmions are regarded as promising candidates for tiny and stable bits of information in future data storage devices which brought them into the focus of many research activities.

This thesis deals with unsolved fundamental issues about thermally activated transition processes between ferromagnetic and skyrmionic states as well as the behavior of skyrmion structures in confined geometries. The presented results were obtained with a self-written Monte Carlo program in combination with analytical and numerical methods.

Stochastic switching between ferromagnetic and skyrmionic states is analyzed with the help of the Arrhenius law and the Eyring equation. This yields activation energies and attempt frequencies. The attempt frequency of the skyrmion state is much lower than that of the ferromagnetic state which can be related to a higher entropy of the skyrmion state and is identified as the reason for the high stability of the skyrmion state.

For a skyrmionic material of finite size in the spin-spiral phase, a local parallel orientation of the spin-spiral vector with respect to an edge of the material results in a reduction of the energy. Additional energy can be saved by tilting the spin-spiral state at an edge with respect to the spin-spirals in the interior of the material. The results are used to explain recent experimental observations about spin-spiral states in magnetic Pd/Fe atomic bilayer islands on Ir(111).

In Fe/Ir(111), edge properties can be employed to tailor the alignment of the adjacent nanoskyrmion lattice. A diagonal of the square magnetic unit cell is coupled parallel to an edge of an Fe island. In contrast to this, a side of the magnetic unit cell is coupled parallel to a ferromagnetic edge. Experimental observations are well in line with Monte Carlo calculations.

Finally, effects of spatial variations of material parameters are studied. First, it is shown that they provide a convenient method to determine the phase space of skyrmionic materials. Second, they are used to obtain a qualitative understanding of recent experimental observations of non-axisymmetric skyrmions in triple layers of Fe on Ir(111).
Kurzfassung auf Deutsch: Magnetische Skyrmionen gelten als vielversprechende Kandidaten für Informationsbits in zukünftigen Datenspeichern und sind daher gegenwärtig Gegenstand von vielen Forschungsvorhaben.

Die vorliegende Arbeit untersucht mit theoretischen Methoden fundamentale Fragestellungen über den thermisch induzierten Übergang zwischen skyrmionischem und ferromagnetischem Zustand sowie das Verhalten von Skyrmionen in Materialien mit beschränkter räumlicher Ausdehnung. Die Ergebnisse wurden mit einem selbstgeschriebenen Monte Carlo Programm in Kombination mit analytischen und numerischen Rechnungen erzielt.

Stochastisches Schalten zwischen ferromagnetischen und skyrmionischen Zuständen wurde mithilfe der Arrhenius-Gleichung und Eyring-Gleichung untersucht. Auf diese Weise wurden Aktivierungsenergien und "Attempt"-Frequenzen bestimmt. Die "Attempt"-Frequenz des skyrmionischen Zustandes ist wesentlich kleiner als die des ferromagnetischen Zustandes, was durch eine höhere Entropie des skyrmionischen Zustandes erklärt werden kann. Sie sorgt für die hohe Stabilität des skyrmionischen Zustandes.

Am Rand eines skyrmionischen Materials in der Spin-Spiral-Phase führt eine lokal parallele Ausrichtung des Spin-Spiral-Vektors zu einer Absenkung der Energie. Ein weiterer Energiegewinn entsteht durch die Verkippung der Spin-Spirale am Rand gegenüber den Spin-Spiralen im Inneren des Materials. Diese Ergebnisse können experimentelle Messungen an magnetischen Inseln aus zwei atomaren Lagen aus Palladium und Eisen erklären.

In Fe/Ir(111) können die Kanteneigenschaften gezielt manipuliert werden, um Einfluss auf die räumliche Orientierung des angrenzenden Nanoskyrmiongitters zu nehmen. Die Diagonale der quadratischen magnetischen Einheitszelle koppelt parallel zu einer offenen Kante einer Eiseninsel. Dahingegen koppelt das Nanoskyrmiongitter mit einer Seite der magnetischen Einheitszelle an eine ferromagnetische Kante. Dieses Verhalten lässt sich sowohl in Experimenten als auch in den vorliegenden Monte Carlo Rechnungen beobachten.

Zuletzt werden die Effekte von räumlichen Variationen der Materialparameter studiert. Es wird gezeigt, dass dieser Ansatz eine komfortable Möglichkeit bietet, Phasendiagramme von skyrmionischen Systemen zu erstellen. Darüber hinaus können räumlich variierende Materialparameter genutzt werden, um ein qualitatives Verständnis experimenteller Beobachtungen von nicht-achsensymmetrischen Skyrmionen in der atomaren Tripellage von Eisen auf Ir(111) zu erhalten.

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