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Controlled manipulation of magnetic skyrmions: generation, motion and dynamics
Kern, Lisa-Marie Julia
In this thesis, we demonstrate deterministic control over the formation and manipulation of current- and laser-induced magnetic skyrmions in cobalt-based multilayers with nanometer precision, accessing the fundamental character of the topological charge and its magnetization dynamics. We investigate these nanometer-scale magnetic textures in real space soft-x-ray imaging experiments. In recent years, the current- and laser-induced creation and motion of magnetic skyrmions have already been demonstrated in a variety of magnetic thin film systems. However, the resulting skyrmion ensemble typically appears randomly distributed. From a technological perspective, a functional application would require a reproducible localization of the skyrmion. Similarly, from a fundamental point of view, controlling individual skyrmion positions is crucial to transform the nucleation into a deterministic process, and thus to enable time-resolved studies of dynamic magnetization processes on short timescales using real space imaging techniques. We therefore develop two independent approaches to control the position of individual magnetic skyrmions in a reproducible way. First, we fabricate aluminum nanostructures on the back side of our ferromagnetic material, serving as reflective masks to tailor the optical excitation amplitudes reached. By allowing or suppressing a refractive index-matching in the material stack, we can define allowed and inhibited regions for skyrmion nucleation. We thereby achieve micro- to nanometer spatial control over the laser-induced skyrmion nucleation process. This control method is applicable exclusively to the optical nucleation process. Second, we expand the position control to the few nanometers-scale by employing a focused helium ion beam to nanopattern the magnetic anisotropy landscape--leaving the topography unaffected. We locally irradiate the ferromagnetic multilayers in patterns of different shapes and sizes, artificially creating well-defined skyrmion nucleation sites. By applying a single current or a single laser pulse, we show deterministic skyrmion nucleation on irradiated dot arrays - while non-irradiated regions remain homogeneously magnetized. Moreover, we demonstrate the detachment of a skyrmion from its nucleation site and the subsequent undisturbed spin-orbit torque driven motion of the skyrmion in a racetrack geometry. In addition, we prepare a pattern to combine controlled nucleation with guided motion. We can thereby realize the straight motion of a skyrmion over tens of micrometers distance back and forth along the magnetic racetrack, fully suppressing sideways deviations caused by the skyrmion Hall effect. Due to this level of control over skyrmion generation and motion, helium ion nanopatterning provides a promising platform for applied and fundamental research on isolated skyrmions in multilayer materials. Furthermore, these developments enable us to perform first time-resolved soft-x-ray imaging experiments on the current-induced spin-orbit torque driven magnetization dynamics at an artificially created anisotropy defect. As a result, we could follow the underlying transient magnetization dynamics in real space images, unveiling linear perturbations, non-linear and chaos-mediated dynamics.
In dieser Arbeit demonstrieren wir die deterministische Erzeugung und Manipulation von strom- und laserinduzierten magnetischen Skyrmionen in auf Kobalt basierenden Multilagen mit Nanometerpräzision, um den fundamentalen Charakter der topologischen Ladung und ihrer Magnetisierungsdynamik zu erforschen. Wir untersuchen diese magnetischen Texturen auf der Nanometerskala in abbildenden Experimenten im Realraum mithilfe von weicher Röntgenstrahlung. In den vergangenen Jahren wurde die strom- und laserinduzierte Erzeugung von magnetischen Skyrmionen in einer Vielzahl von magnetischen Dünnfilmsystemen bereits gezeigt. Allerdings erscheint das resultierende Ensemble an Skyrmionen typischerweise zufällig verteilt. Für funktionale technologische Anwendungen ist eine reproduzierbare Lokalisierung des Skyrmions erforderlich. Auch für die Grundlagenforschung ist die Kontrolle über individuelle Skyrmionenpositionen entscheidend. Erst wenn wir die Kontrolle über individuelle Skyrmionenpositionen in einen deterministischen Prozess überführen, kann es uns gelingen, zeitaufgelöste abbildende Exerpimente von dynamischen Magnetisierungsprozessen auf kurzen Zeitskalen durchzuführen. Wir entwickeln daher zwei unabhängige Methoden, um die Position von einzelnen magnetischen Skyrmionen in einer reproduzierbaren Art und Weise zu kontrollieren. Zuerst bringen wir Nanostrukturen aus Aluminium auf der Rückseite des ferromagnetischen Materials auf, die als reflektierende Masken dienen, um die erreichten optischen Anregungsamplituden zu beeinflussen. Indem wir das Matching der Brechungsindizes in der Materialabfolge begünstigen oder unterdrücken, können wir erlaubte und verbotene Bereiche für die Skyrmionennukleation definieren. Damit können wir die laserinduzierte Skyrmionenentstehung im Mikro- bis Nanometerbereich räumlich kontrollieren. Diese Kontrollmethode kann allerdings nur auf den optischen Enstehungsprozess angewandt werden. In einem zweiten Ansatz erweitern wir die Positionskontrolle auf die Skala von wenigen Nanometern, indem wir einen fokussierten Strahl aus Heliumionen zur Nanostrukturierung der magnetischen Anisotropielandschaft nutzen - ohne dabei die Topografie zu beeinflussen. Wir bestrahlen die ferromagnetischen Multilagen lokal in Mustern verschiedener Formen und Größen, um wohldefinierte Stellen für die Skyrmionenentstehung künstlich zu erzeugen. Indem wir einen einzelnen Strom- oder Laserpuls induzieren, können wir die deterministische Erzeugung von Skyrmionen in bestrahlten Punktgittern zeigen, während nicht-bestrahlte Bereiche homogen magnetisiert bleiben. Darüber hinaus demonstrieren wir das Ablösen eines Skyrmions von der Stelle seiner Erzeugung und die darauffolgende ungehinderte durch den Spin-Bahn-Drehmoment getriebene Bewegung des Skyrmions in einer Racetrack-Geometrie. Zusätzlich bereiten wir ein Muster vor, in dem wir die kontrollierte Erzeugung mit der geführten Bewegung kombinieren. Dadurch können wir die geradlinige Bewegung eines Skyrmions über eine Distanz von mehreren zehn Mikrometern vor und zurück entlang des magnetischen Racetracks realisieren, während Ablenkungen zu einer Seite, verursacht durch den Skyrmionen-Hall-Effekt, vollständig unterdrückt werden. Aufgrund dieses Niveaus an Kontrolle hinsichtlich der Skyrmionenerzeugung als auch der -bewegung bietet die Nanostrukturierung mithilfe von Heliumionen eine vielversprechende Plattform für angewandte und grundlegende Forschung an isolierten Skyrmionen in Multilagenmaterialen. Darüber hinaus erlauben es uns diese Ergebnisse auch, erste zeitaufgelöste abbildende Experimente mithilfe von weicher Röntgenstrahlung der durch Strom induzierten und vom Spin-Bahn-Moment getriebenen Magnetisierungsdynamik an einem künstlich erzeugten Anisotropiedefekt umzusetzen. Als Ergebnis gelingt es uns erstmals, die grundlegende transiente Magnetisierungsdynamik in Realraumbildern zu verfolgen, und so lineare Perturbationen, nicht-lineare und eine durch Chaos unterstützte Dynamik aufzuzeigen.
