Magnetisierungsdynamik

 

1. Motivation und Hintergrundinformationen

 

• Untersuchung der magnetischen Dynamik von magnetischen Mikropartikeln im Picosekundenbereich mittels Synchrotron basierten Röntgenmikroskopien liefert wichtige Erkenntnisse in Bezug auf die Entwicklung immer kleiner und schneller werdenden magnetischen Leseköpfe und Schaltelemente

Die schnelle Entwicklung von magnetischen Massenspeichern hinsichtlich Kapazität und Datensurchsatz führt unter anderem zu immer schnelleren Magnetisierungs- und Entmagnetisierungsprozessen auf mikroskopisch kleinen Subelementen von Speichermedien wie z. B. Festplatten. Diese Operationen werden in Kürze nur noch wenige Nanosekunden oder einen Bruchteil davon betragen. Andere Anwendungsmöglichkeiten solcher ultraschneller Magnetisierungsprozesse ergeben sich z. B. bei neuen logischen Schaltelementen.

In den letzten Jahren wurde der Gleichgewichtszustand kleinster magnetischer Partikel eingehend untersucht was zu einem erheblichen verbesserten Verständnis führte [1-3]. Eine der größten Herausforderungen der modernen Festkörperforschung ist derzeit die Erforschung der dynamischen magnetischen Prozesse in solchen kleinen magnetischen Partikeln, z. B. die Relaxation des Systems nach einen kurzem magnetischen Puls (< 200ps). Erst seit Kurzem werden diese Prozesse im Kern, den Domänwänden und den Domänen dieser magnetischen Mikrostrukturen mittels neuen, zeitaufgelösten Röntgenmikroskopien an modernen Synchrotronstrahlungsquellen untersucht [4-6].

 

2. Experimentelles und zu erreichende Ziele

Um lateral und zeitlich aufgelöste Informationen über die Magnetisierungsdynamik kleiner magnetischen Strukturen zu erhalten, werden zwei unterschiedliche Methoden angewandt. Dies ist zum einen ein so genanntes Photoelektronen-Emissionsmikroskop (PEEM) welches an der Swiss Light Source (SLS) am Paul Scherrer Institur (PSI) in der Schweiz befindet. Bei PEEM werden die von der Probe durch den Röntgenabsorptionsprozess emittierten Elektronen mittels einer mehrstufigen Elektronenoptik analysiert und zu einer Abbildung der Probe verarbeitet. Die zweite Methode basiert auf einem "Scanning" Röntgentransmissionsmikroskop (STXM). Die Apparatur, die in diesem Projekt zum Einsatz kommt, befindet sich an der Advanced Light Source (ALS) am Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), USA. Diese Methode ist komplementär zu PEEM, es wird die Intensität der transmittierten Röntgenstrahlung ortsaufgelöst detektiert, was dünne Proben erfordert. Bei beiden Experimenten wird eine magnetische Abbildung durch Ausnutzung des Röntgenzirkulardichroismus erreicht, eine kontrollierbare  Zeitabhängigkeit wird durch stroboskopische "Pump-Probe" Methoden erreicht. Zurzeit sind mit diesen Methoden "Zeitschritte" bis zu 20 ps realisierbar.

Des Weiteren wurde von J. Fassbender et al. demonstriert, dass die Implantation von Cr-Ionen in dünne Permalloy-Filme zu einer Absenkung der Sättigungsmagnetisierung, der Curietemperatur und der magnetischen Anisotropie führt. Auf der anderen Seite wurde eine Erhöhung der magnetischen Dämpfungseigenschaften festgestellt. Diese magnetischen Modifikationen können auch mit Co-Ionen erreicht werden. Daher werden die magnetischen Strukturen im Vorfeld am FZD, in enger Zusammenarbeit mit der Abteilung Prozesstechnologie (FWIP), mit Hilfe von "Focussed Ion Beam" (FIB) lokal, also z. B. im Kern der Probe, magnetisch modifiziert. Somit sollte es möglich sein, einen variablen Übergang von einer Vortexstruktur über modifizierte Vortexstrukturen bis hin zu einem (kermlosen) magnetischen Ring zu erzeugen.

Das Ziel dieses Projektes ist die eingehende Untersuchung der Magnetisierungsdynamik verschiedener kleinster magnetischer Strukturen, die vom Vortex bis zum magnetischen Ring reichen. Dazu sollen die beiden zueinander komplementären, orts- und zeitaufgelösten Röntgenmikroskopien PEEM und STXM eingesetzt werden.

 

3. Erste Ergebnisse und Ausblick

Die untere Abbildung zeigt eine mittels PEEM aufgenommene, zeitaufgelöste Messung eines 5 Mikrrometer großen Permalloyquadrates. Für eine erste Analyse wurden diese Bilder mittels lokaler Fouriertransformation aus den dichroischen Abbildungen extrahiert.

Es zeigen sich klare Unterschiede im magnetischen Relaxationsprozess bei beiden Proben, von der eine eine einheitliche Oberfläche (obere Serie) und die andere ein mittels FIB eingebrachtes Loch in der Mitte hat (untere Serie). In der mit Graustufen dargestellten topographischen Aufnahme der Mikrostruktur ist das Loch klar erkennbar. In nächster Zukunft sollen komplementäre Messungen mittels STXM folgen und die bestehenden Messungen mittels PEEM müssen erheblich ausgedehnt werden um eine vollständige Analyse der Magnetisierungsdynamik der mittels FIB modifizierten Strukturen zu erhalten.

Abbildung 1: Lokale Fouriertransformationen, welche aus den dichroischen Bildern der zeitaufgelösten PEEM-Serie extrahiert wurden.

Publikationen:

[1] R. P. Cowburn, D. K. Koltsov, A. O. Adeyeye, M. E. Welland, D. M. Tricker,
     Phys. Rev. Lett. 83, 1042 (1999).

[2] T. Shinjo, T. Okuno, R. Hassdorf, K. Shigeto, T. Ono,
     Science 289, 930 (2000).

[3]     A. Wachowiak, J. Wiebe, M. Bode, O. Pietzsch, M. Morgenstern, R. Wiesendanger,
         Science 298, 577 (2002).

 [4] S.-B. Choe, Y. Acremann, A. Scholl, A. Bauer, A. Doran, J. Stoehr, H. A. Padmore,   
      Science 304, 420 (2004).

 [5] H. Stoll, A. Puzic, B. van Waeyenberge, P. Fischer, J. Raabe, M. Buess, T. Haug, R. Höllinger, C. Back, D. Weiss, G. Denbeaux,
      Appl. Phys. Lett. 83 , 3328 (2004)

 [6] J. Raabe, C. Quitmann, C. H. Back, F. Nolting, S. Johnson, C. Buehler,
      Phys. Rev. Lett. 94, 217204 (2005)

 [7] J. Fassbender, J. McCord, M. Weisheit, R. Mattheis,
      Intermag 2005 Nagoya.