Ändra sökning
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Direct observation and imaging of a spin-wave soliton with p−like symmetry
Visa övriga samt affilieringar
2015 (Engelska)Ingår i: Nature Communications, ISSN 2041-1723, E-ISSN 2041-1723, Vol. 6, artikel-id 8889Artikel i tidskrift (Refereegranskat) Published
Abstract [en]

The prediction and realization of magnetic excitations driven by electrical currents via the spin transfer torque effect, enables novel magnetic nano-devices where spin-waves can be used to process and store information. The functional control of such devices relies on understanding the properties of non-linear spin-wave excitations. It has been demonstrated that spin waves can show both an itinerant character, but also appear as localized solitons. So far, it was assumed that localized solitons have essentially cylindrical, s−like symmetry. Using a newly developed high-sensitivity time-resolved magnetic x-ray microscopy, we instead observe the emergence of a novel localized soliton excitation with a nodal line, i.e. with p−like symmetry. Micromagnetic simulations identify the physical mechanism that controls the transition from s− to p−like solitons. Our results suggest a potential new pathway to design artificial atoms with tunable dynamical states using nanoscale magnetic devices.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Nature Publishing Group, 2015. Vol. 6, artikel-id 8889
Nyckelord [en]
spin-wave soliton, x-ray
Nationell ämneskategori
Den kondenserade materiens fysik
Forskningsämne
Fysik
Identifikatorer
URN: urn:nbn:se:kth:diva-163518DOI: 10.1038/ncomms9889ISI: 000366296800003Scopus ID: 2-s2.0-84947292475OAI: oai:DiVA.org:kth-163518DiVA, id: diva2:800533
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet
Anmärkning

QC 20150108

Tillgänglig från: 2015-04-07 Skapad: 2015-04-07 Senast uppdaterad: 2017-12-04Bibliografiskt granskad
Ingår i avhandling
1. Microwave Frequency Stability and Spin Wave Mode Structure in Nano-Contact Spin Torque Oscillators
Öppna denna publikation i ny flik eller fönster >>Microwave Frequency Stability and Spin Wave Mode Structure in Nano-Contact Spin Torque Oscillators
2016 (Engelska)Doktorsavhandling, sammanläggning (Övrigt vetenskapligt)
Abstract [en]

The nano-contact spin torque oscillator (NC-STO) is an emerging device for highly tunable microwave frequency generation in the range from 0.1 GHz to above 65 GHz with an on-chip footprint on the scale of a few μm. The frequency is inherent to the magnetic material of the NC-STO and is excited by an electrical DC current by means of the spin torque transfer effect. Although the general operation is well understood, more detailed aspects such as a generally nonlinear frequency versus current relationship, mode-jumping and high device-to-device variability represent open questions. Further application-oriented questions are related to increasing the electrical output power through synchronization of multiple NC-STOs and integration with CMOS integrated circuits.

This thesis consists of an experimental part and a simulation part. Experimentally, for the frequency stability it is found that the slow but strong 1/f-type frequency fluctuations are related to the degree of nonlinearity and the presence of perturbing, unexcited modes. It is also found that the NC-STO can exhibit up to three propagating spin wave oscillation modes with different frequencies and can randomly jump between them. These findings were made possible through the development of a specialized microwave time-domain measurement circuit. Another instrumental achievement was made with synchrotron X-rays, where we image dynamically the magnetic internals of an operating NC-STO device and reveal a spin wave mode structure with a complexity significantly higher than the one predicted by the present theory.

In the simulations, we are able to reproduce the nonlinear current dependence by including spin wave-reflecting barriers in the nm-thick metallic, magnetic free layer. A physical model for the barriers is introduced in the form of metal grain boundaries with reduced magnetic exchange coupling. Using the experimentally measured average grain size of 30 nm, the spin wave mode structure resulting from the grain model is able to reproduce the experimentally found device nonlinearity and high device-to-device variability.

In conclusion, the results point out microscopic material grains in the metallic free layer as the reason behind the nonlinear frequency versus current behavior and multiple propagating spin wave modes and thereby as a source of device-to-device variability and frequency instability.

Abstract [sv]

Dagens snabba utveckling inom informationsteknik drivs på av ständigt växande informationsmängder och deras samhällsanvändning inom allt från resursoptimering till underhållning. Utvecklingen möjliggörs till stor del hårdvarumässigt av miniatyrisering och integrering av elektroniska komponenter samt trådlös kommunikation med allt större bandbredd och högre överföringshastighet. Det senare uppnås främst genom utnyttjande av högre radiofrekvenser i teknologiskt tidigare oåtkomliga delar av spektrumet. Frekvensutnyttjandet har det senaste årtiondet ökat markant i mikrovågsområdet med typiska frekvenser runt 2.4 GHz och 5.2-5.8 GHz.

I den spinntroniska oscillatorn (STO:n) möjliggörs frekvensgenerering i det breda området från 0.1 GHz upp till över 65 GHz av en komponent med mikrometerstorlek som kan integreras direkt i CMOS-mikrochip. Till skillnad från i konventionella radiokretsar med oscillatorer konstruerade av integrerade transistorer och spolar, genereras mikrovågsfrekvensen direkt i STO:ns magnetiska material och omvandlas därefter till en elektrisk signal genom komponentens magnetoresistans. Dessa materialegenskaper möjliggör ett tillgängligt frekvensband med extrem bredd i en och samma STO, som därtill kan frekvensmoduleras direkt genom sin styrström och på så sätt förenklar konstruktionen av sändarsystem. STO:ns icke-linjära egenskaper kan potentiellt också användas för att i en och samma komponent blanda ned mottagna mikrovågssignaler och på så sätt förenkla konstruktionen även av mikrovågsmottagare.

STO:ns signalegenskaper bestäms av det magnetiska materialets fysik i form av magnetiseringsdynamik driven av elektriskt genererade spinnströmmar. I denna avhandling studeras denna dynamik experimentellt med särskilt fokus på frekvensstabiliteten i den hittills mest stabila STO-typen; nanokontakts-STO:n. Genom mätningar i tidsdomän av STO:ns elektriska signaler runt 25 GHz har frekvensstabiliteten funnits hänga samman med den typ av icke-linjärt beteende som också funnits vara utmärkande för tillverkningsvariationen i komponenterna. Mikroskopiska undersökningar av materialet visar att en trolig källa till denna variation är den magnetiska metallens uppbyggnad i form av korn i storleksordningen 30 nm, och datorsimuleringar av en sådan materialstruktur har visats kunna reproducera de experimentella resultaten. Därtill har en metod utvecklats för att med röntgenstrålning direkt mäta de små, magnetiska mikrovågsrörelserna i materialet. Denna röntgenteknik möjliggör detaljerade experimentella studier av magnetiseringsdynamiken och kan användas för att verifiera och vidareutveckla den existerande teorin för mikrovågsspinntronik.

Sammantaget förs STO-teknologin genom denna studie ett steg närmare sina tänkbara samhällsbreda tillämpningar inom snabb, trådlös kommunikation för massproducerade produkter med integrerad sensor- och datorfunktionalitet.

Ort, förlag, år, upplaga, sidor
Stockholm: KTH Royal Institute of Technology, 2016. s. 91
Serie
TRITA-ICT ; 2016:18
Nyckelord
spintronics, microwave oscillators, magnetization dynamics, spin waves, phase noise, device modelling, electrical characterization, X-ray microscopy, STXM, XMCD
Nationell ämneskategori
Den kondenserade materiens fysik Annan elektroteknik och elektronik
Forskningsämne
Fysik; Elektro- och systemteknik
Identifikatorer
urn:nbn:se:kth:diva-188546 (URN)978-91-7729-045-2 (ISBN)
Disputation
2016-09-02, Sal C, Electrum, Isafjordsgatan 22, Kista, 10:00 (Engelska)
Opponent
Handledare
Forskningsfinansiär
Vetenskapsrådet, 2009-4190Vetenskapsrådet, 2012-5372
Anmärkning

QC 20160620

Tillgänglig från: 2016-06-20 Skapad: 2016-06-13 Senast uppdaterad: 2016-06-20Bibliografiskt granskad

Open Access i DiVA

fulltext(1168 kB)124 nedladdningar
Filinformation
Filnamn FULLTEXT01.pdfFilstorlek 1168 kBChecksumma SHA-512
2615eb807019deddbbdd384258aac72789f701b4dee523dfc34f2d36b2547617c5d529f4f4c664622eb5f9bc07ae88eb1458b84a4d196c744a9b8e9952f2f642
Typ fulltextMimetyp application/pdf

Övriga länkar

Förlagets fulltextScopusarXiv

Personposter BETA

Malm, Gunnar

Sök vidare i DiVA

Av författaren/redaktören
Eklund, AndersMalm, Gunnar
Av organisationen
Integrerade komponenter och kretsar
I samma tidskrift
Nature Communications
Den kondenserade materiens fysik

Sök vidare utanför DiVA

GoogleGoogle Scholar
Totalt: 124 nedladdningar
Antalet nedladdningar är summan av nedladdningar för alla fulltexter. Det kan inkludera t.ex tidigare versioner som nu inte längre är tillgängliga.

doi
urn-nbn

Altmetricpoäng

doi
urn-nbn
Totalt: 345 träffar
RefereraExporteraLänk till posten
Permanent länk

Direktlänk
Referera
Referensformat
  • apa
  • harvard1
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Annat format
Fler format
Språk
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Annat språk
Fler språk
Utmatningsformat
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf