Transient Dynamics and Core Tunneling in Vertical Spin-Vortex Pairs

Autor: Persson, Milton
Jazyk: angličtina
Rok vydání: 2019
Předmět:
Druh dokumentu: Text
Popis: Spin-vortices in vertically spaced pairs of thin elliptical Permalloy nanoparticles are investigated. The two vortex cores with parallel out-of-plane magnetization exhibit a strong monopole-like attraction through the spacer much thinner than the core length, thus forming a bound core-core pair. The material of the spacer is designed to suppress both direct and indirect exchange interactions, so the remaining inter-vortex coupling is purely dipolar. In the investigated vortex pairs, the in-plane magnetization in the vortex periphery, outside the vortex cores, curl in opposite directions (have opposite chirality). As a result, the two cores move in opposite directions in response to an in-plane magnetic field, the Zeeman effect of which acts to decouple the core-core pair. This leads to unique dynamics of the spin-vortex parallel-core/antiparallel-chirality pair, which strongly depend on whether the pair is coupled or decoupled. In the coupled state, the cores are held close together by the core-core attraction, which results in short-radius oscillations and a resonance frequency of about 2 GHz for the main rotational eigen-mode. In the decoupled state, the cores are separated by a distance much greater than the core length and gyrate independently with a resonance frequency of the order of 100 MHz. The dynamics of the vortex pair are investigated at 77 K, where there is a bistability between the coupled and decoupled core states. Resonant excitations are used to decouple the cores with pulses of ∼10 Oe in amplitude and ∼100 ps in duration. The ability to decouple a vortex pair using such fast low-power pulses can be useful for multifrequency oscillators and vortex based memory. A search for quantum effects is undertaken at sub-Kelvin temperatures using a dilution refrigerator. Square pulses of 100 ns duration and amplitudes of the order of 1 Oe are applied in-plane to bring the system closer to decoupling, giving the cores a chance to tunnel through the barrier between the coupled and decoupled states. The amplitude required for decoupling is measured as a function of temperature and a leveling off in the decoupling probability is seen below 400 mK, giving some indication of core tunneling. Macroscopic quantum tunneling of magnetization is interesting from the fundamental physics point of view, e.g., as a model system for studying the measurement paradox in quantum mechanics, as well as for current and future computer technology in terms of understanding the ultimate limitations of miniaturizing magnetic memory elements.
I detta arbete studeras spinnvirvlar i elliptiska skivor av Permalloy ordnade i vertikala par. Kärnor av parallell vertikal magnetisering attraherar varandra likt monopoler genom en film mycket tunnare än kärnorna och bildar därmed ett sammankopplat par. Materialet i filmen mellan virvlarna är designat för att förhindra både direkt och indirekt utbytesväxelverkan och lämnar endast kärnornas dipolväxelverkan. I de virvelpar som studeras går den plana magnetiseringen i virvlarnas periferi runt kärnorna åt olika håll (de har motsatt kiralitet). På grund av detta rör sig kärnorna åt olika håll vid applikation av magnetfält i planet (Zeeman effekten) vilket kan leda till att de kopplas isär. Detta ger virvelpar med parallella kärnor och antiparallell kiralitet unika dynamiska egenskaper som ändras med deras tillstånd, sammankopplade eller isärkopplade. I det sammankopplade tillståndet hålls kärnorna ihop av monopolattraktionen vilket gör att de bara kan röra sig i små banor kring sitt magnetiska masscentrum, med en resonansfrekvens på circa 2 GHz. I det isärkopplade tillståndet är kärnorna separerade med ett avstånd som är mycket större än kärnornas diameter, och de rör sig oberoende av varandra med en resonansfrekvens i storleksordningen 100 MHz. Virvelparets dynamik undersöks vid 77 K, där det finns en bistabilitet mellan det sammankopplade och det isärkopplade tillståndet. Pulser med längd ∼100 ps och styrka ∼10 Oe i resonans med det sammankopplade tillståndet används för att koppla isär kärnorna. Att kunna koppla isär dem med så korta lågeffektspulser kan vara användbart för virvelbaserade minnen och multifrekvensoscillatorer. Ett sökande efter kvanteffekter påbörjas vid temperaturer under 1 K med hjälp av en utspädningskyl. Fyrkantsvågor med en längd på 100 ns och en styrka i storleksordningen 1 Oe, orienterade i planet, används för att ge kärnorna en chans att tunnla genom barriären mellan det sammankopplade och det isärkopplade tillståndet. Den vågamplitud som krävs för att koppla isär kärnorna plottas mot temperaturen och kan ses plana ut under 400 mK, vilket ger viss indikation av tunnling. Dessa undersökningar av makroskopisk kvanttunnling av magnetisering kan vara användbar i grundforskning för att studera mätparadoxen i kvantmekanik, men också i modern datorteknologi för att förstå de absoluta begränsningarna i hur små magnetiska minneselement kan göras.
Databáze: Networked Digital Library of Theses & Dissertations
Externí odkaz: