Magnetization dynamics in nano-contact spin torque oscillators (STOs) is investigated from an experimental and theoretical point of view. The fundamentals of magnetization dynamics due to spin transfer torque are given. A custom-made high frequency (up to 46 GHz) in large magnetic fields (up to 2.2 T) microwave characterization setup has been built for the purpose and described in this thesis. A unique feature of this setup is the capability of applying magnetic fields at any direction θe out of the sample plane, and with high precision. This is particularly important, because the (average) out-of-plane angle of the STO free magnetic layer has fundamental impact on spin wave generation and STO operation. By observing the spin wave spectral emission as a function of θe, we find that at angles θe below a certain critical angle θcr, two distinct spin wave modes can be excited: a propagating mode, and a localized mode of solitonic character (so called spin wave bullet). The experimental frequency, current threshold and frequency tuneability with current of the two modes can be described qualitatively by analytical models and quantitatively by numerical simulations. We are also able to understand the importance, so far underestimated, of the Oersted field in the dynamics of nano-contact STOs. In particular, we show that the Oersted field strongly affects the current tuneability of the propagating mode at subcritical angles, and it is also the fundamental cause of the mode hopping observed in the time-domain. This mode hopping has been observed both experimentally using a state-of-the-art real-time oscilloscope and corroborated by micromagnetic simulations. Micromagnetic simulations also reveal details of the spatial distribution of the spin wave excitations. By investigating the emitted power as a function of θe, we observed two characteristic behaviors for the two spin wave modes: a monotonic increase of the power for increasing out-of-plane angles in the case of the propagating mode; an increase towards a maximum power followed by a drop of it at the critical angle for the localized mode. Both behaviors are reproduced by micromagnetic simulations. The agreement with the simulations offers also a way to better understand the precession dynamics, since the emitted power is strongly connected to the angular variation of the giant magnetoresistance signal. We also find that the injection locking of spin wave modes with a microwave source has a strong dependence on θe, and reaches a maximum locking strength at perpendicular angles. We are able to describe these results in the theoretical framework of non-linear spin wave dynamics. / QC 20101130

Magnetismus ist ein Phänomen, das eine wichtige Rolle in einer Vielfalt technischer Anwendungen spielt. Ohne den Einsatz magnetischer Effekte und Materialen wäre der heutzutage erreichte technische Fortschritt unmöglich, da viele grundlegende Techniken wie Stromerzeugung, elektrischer Antrieb, Informationsübertragung und viele andere auf magnetische bzw. elektromagnetische Phänomene zurückzuführen sind. Dabei haben die ferromagnetischen Materialen stets zur Effizienz von elektrischen und elektronischen Anwendungen beigetragen, weswegen an diesen Materialen auch entsprechend viel geforscht worden ist. Moderne Technologien, insb. Massenspeicher basieren oft auf Ferromagneten und erfordern daher die weitere Erforschung und Anpassung ihrer Eigenschaften. Für die Funktionalität von Hochgeschwindigkeitsgeräten spielt das dynamische Verhalten dünner magnetischer Schichten eine kritische Rolle. In dieser Arbeit wird die Magnetisierungsdynamik dünner Schichtelemente mittels zeitaufgelöster Weitfeld- Kerrmikroskopie untersucht. Dies ist ein aktuelles Thema, an dem in den letzten Jahren sehr intensiv gearbeitet wird. Allerdings sind viele für die Anwendungen sehr wichtige Details des magnetischen Schaltens wegen ihre Vielfältigkeit und Komplexität doch nicht vollständig untersucht und verstanden. In dieser Arbeit werden überwiegend experimentelle Ergebnisse vorgestellt, die einen zusätzlichen Beitrag zum aktuellen Wissenstand leisten. In einem ferromagnetischen Körper bilden sich Bereiche mit spontaner Magnetisierung, die man als Domänen bezeichnet. Die spontane Magnetisierung entsteht aufgrund der Spin-Spin Wechselwirkung, und die Domänen bilden sich aufgrund der Energieminimierung des magnetisierten Körpers. Langsame Magnetisierungsprozesse werden im Wesentlichen getragen von Domänenumordnungen und Domänengrenzenverschiebungen. Solche Prozesse bezeichnet man als quasistatisch, da sich der Körper durch deren Langsamkeit immer im Gleichgewicht oder zumindest sehr nahe daran befindet. Mit zunehmender Anregungsgeschwindigkeit gilt diese Annahme nicht mehr, da die Präzessionsbewegung der magnetischen Momente das Schaltverhalten in diesem Fall definiert. Die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik setzt die Möglichkeit voraus, nicht-unterbrochene Prozesse beobachten zu können. Dieses Ziel kann mittels stroboskopischer Abbildung erreicht werden. Dabei wird derselbe Prozess kontinuierlich wiederholt (vorausgesetzt, dass die Prozesse sich reproduzierbar wiederholen lassen), und zu definierten Zeitpunkten werden die entsprechenden Kerraufnahmen gemacht. Dafür wird eine CCD Kamera mit einem Photoverstärker benutzt, welcher als optischer Schalter fungiert. Die Zeitauflösung dieses Systems und damit auch das Vermögen, die Hochfrequenzvorgänge abzubilden, beträgt 250 ps. Die Eigenschaften des magnetischen Umschaltens hängen stark von der Elementgeometrie ab. Diese Unterschiede sind auf unterschiedliche Entmagnetisierungsfaktoren, und damit auf Unterschiede in den effektiven Feldern zurückzuführen. Solche Unterschiede werden auf zwei Weisen initiiert: ein quadratisches Element wird entlang unterschiedlicher Richtungen (entlang der Seite und der Diagonalen) angeregt; die Form des Elementes wird zwischen Quadrat und Rechteck mit unterschiedlichen Seitenverhältnissen variiert. Die beobachteten Schaltvorgänge werden miteinander verglichen und die Ergebnisse dargestellt. Dabei werden auch die dynamischen Vorgänge immer mit den quasistatischen verglichen. Aus dem Vergleich folgt, dass ein steigendes Seitenverhältnis zur geringeren Schaltgeschwindigkeit führt, und dass die dabei entstehenden Domänen zunehmend komplexer werden. Dabei gibt es wesentliche Unterschiede zwischen den dynamischen und quasistatischen Domänen, vor allem in der Domänenwandstruktur. Das Schalten an sich unterscheidet sich auch sehr stark. Quasistatisches Schalten erfolgt überwiegend durch Domänenwandbewegung, während das dynamische Schalten durch inkohärente Rotation der Magnetisierung im ganzen Element erfolgt. Das Hochfrequenzverhalten am Prototypen eines Mikroinduktors wird untersucht. Der Induktor besteht aus vielen magnetischen Elementen, die eine induzierte uniaxiale Anisotropie besitzen. Diese ist bei der Hälfte der Elemente entlang des Magnetfeldes, und bei der anderen Hälfte senkrecht zum Magnetfeld der Spule ausgerichtet. Das dynamische Verhalten der beiden Elementtypen unterscheidet sich stark, vor allem die Ummagnetisierungsgeschwindigkeit. Diese Unterschiede können zu einer Phasenverschiebung im elektrischen Signal führen, was die Effizienz des Induktors senkt. Durch die Untersuchung der Magnetisierungsdynamik in Wechselfeldern unterschiedlicher Frequenz ist auch festgestellt worden, dass bis 100 MHz die Magnetisierungsvorgänge überwiegend durch Domänenwandbewegung erfolgen, während ab 200 MHz- Rotationsprozesse stattfinden.

L'objectif de cette thèse a été d'étudier la dynamique de parois de domaines dans des couches minces magnétiques ayant anisotropie perpendiculaire, dans un empilement non-centrosymétrique. Dans ce type de système la compétition entre l'interaction d'échange de Heisenberg et un terme d'échange antisymétrique appelé interaction Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale, favorise des textures magnétiques non colinéaires avec une chiralité définie, comme les parois de Néel chirales et les skyrmions. Dans ce travail nous nous sommes intéressés à la dynamique induite par un champ magnétique ou un courant électrique de parois Néel chirales dans une tricouches constituée d'une fine couche de cobalt déposée sur du platine, et recouverte par un oxyde.Nous avons démontré que la structure statique et la dynamique des parois est fortement impactée par la présence de la DMI. La DMI favorise une structure Néel avec une chiralité bien définie (plutôt que la structure de Bloch trouvé en général dans des systèmes symétriques). En comparant des parois dans Pt/Co/Pt (DMI=0) et Pt/Co/AlOx (DMI forte) nous avons montré que en la présence de DMI les parois de domaines peuvent être déplacées plus efficacement avec un champ magnétique. La stabilisation de la structure interne de la paroi par la DMI déplace le régime precessionnel à de plus hauts champs magnétiques et permet d'obtenir des vitesses importantes.En opposition à ce que prédisent les modèles 1D, nous montrons que en la présence de fort DMI la vitesse de paroi sature après le champ de Walker, et que la vitesse de saturation est proportionnelle au rapport entre la force de la DMI et l'aimantation à saturation (D/Ms). L'augmentation de la vitesse de saturation dans des systèmes avec faible Ms a été démontrée en comparant la dynamique de parois dans Pt/Co/GdOx et Pt/Co/Gd. Ceci implique aussi que en connaissant Ms, la mesure de la vitesse de saturation fournit une méthode originale pour quantifier l'interaction Dzyaloshinskii-Moriya interfaciale, comme nous montrons dans ce travail. Cette méthode a été utilisée pour mesurer la DMI dans des tricouches Pt/Co/AlOx avec oxydation variable de l'interface supérieure du Co. Nous montrons que en plus de la forte DMI de l'interface Pt/Co, l'interaction Co/oxyde contribue avec une DMI du même signe, la force de laquelle dépend du dégrée d'oxydation de l'interface. Nous observons aussi que cette DMI est proportionnelle à l'anisotropie magnétique perpendiculaire, ce qui suggère que les deux effets ont une origine commune. Pour finir, nous avons montré des résultats préliminaires de dynamique de parois induite par champ et courant dans des systèmes ferrimagnétiques GdCo. Si d'une part près de la compensation les parois de domaines dans des tricouches Pt/GdCo/Ta peuvent être déplacées seulement avec des champs très forts, d'autre part le courant est très efficace et les courants de dépiégeage très faibles. Nous avons attribué cet effet à la dépendance en 1/Ms du couple de spin-orbite qui agit sur l'aimantation. / The aim of this thesis has been to study domain wall dynamics in magnetic thin films with perpendicular magnetic anisotropy embedded in a non centrosymmetric stack. In this kind of system the competition between the symmetric Heisenberg exchange and an antisymmetric exchange term, called the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction (DMI), favours non collinear magnetic textures with a fixed chirality, like chiral Néel domain walls and skyrmions. In this work we have been interested in the field and current-driven dynamics of chiral Néel walls in trilayer stacks, typically consisting of a thin Co film deposited on Pt and capped with an oxide.We have shown that the statics and dynamics of a domain wall (DW) is strongly affected by the DMI. The DMI favours Néel internal structure (rather than the Bloch structure usually found in symmetric systems) with a fixed chirality. By comparing DWs in Pt/Co/Pt (no DMI) and Pt/Co/AlOx (strong DMI), we have shown that in the presence of DMI, DWs can be moved more efficiently by a magnetic field. The stabilization of the internal DW structure by the DMI allows the precessional regime to be pushed to large magnetic fields and large velocities to be reached.Opposite to what is predicted by 1D models we show that in the presence of DMI, the DW velocity saturates after the Walker field, and that the saturation velocity is proportional to the ratio of the DMI strength and the saturation magnetization (D/Ms). The enhancement of the saturation velocity in systems with reduced Ms is shown by comparing DW dynamics in Pt/Co/GdOx and Pt/Co/Gd stacks. This also means that, knowing Ms, measuring the DW saturation velocity provides an original method to quantify the interfacial Dzyaloshinskii-Moriya interaction, as we show in this work.This method has been used to measure the DMI interaction in Pt/Co/AlOx trilayers in which the top Co interface presents a varying degree of oxidation. We show that besides the strong DMI at the Pt/Co interface, the Co/oxide interface also provides a DMI contribution of the same sign, whose strength depends on the degree of oxidation of the Co/AlOx interface. We also observe that this DMI scales with the perpendicular magnetic anisotropy, which suggest a common origin for the two effects. Finally we have shown preliminary results of field- and current-driven dynamics of DWs in a ferrimagnetic system (GdCo). While close to the compensation composition domain walls in Pt/GdCo/Ta trilayers can be moved to high velocities only by very high magnetic fields, the current driven dynamics is very efficient and depinning currents low. This effect is attributed to the 1/ Ms dependence of the spin-orbit torque acting on the DW magnetization.

Les oscillateurs à transfert de spin (STO) sont des oscillateurs Radiofréquence nanométriques dont la fréquence peut être variée d'un ordre de grandeur. Cette forte agilité en fréquence provient des propriétés non-linéaires de la dynamique de l'aimantation induite par le transfert de spin (STT) dans des multicouches magnétiques nano-structurées. Cette forte agilité en fréquence a le désavantage d'induire une forte sensibilité au bruit. La pureté spectrale des STO est alors bien en dessous des pré-requis pour les applications en télécommunications. Les principales propriétés de la dynamique de l'aimantation induite par le STT ont été décrites simplement à l'aide de la théorie non-linéaire des ondes de spin. Cependant des informations importantes sur le mode d'excitation sont enfouies dans des paramètres phénoménologiques tels que le couplage amplitude-phase NU et le taux de relaxation Gp. La détermination de ces paramètres avec précision est d'un intérêt primordial pour la description de la dynamique non-linéaire. Cette thèse décrit plusieurs méthodes expérimentales pour extraire ces paramètres. La première est la spectroscopie de bruit depuis le domaine temporel qui permet l'extraction des Densités Spectrales de Puissance du bruit d'amplitude et de phase. Leur analyse dans le cadre des modèles théoriques permet non seulement d'extraire directement les paramètres non-linaires mais également de quantifier le bruit de phase qui a un intérêt technologique. Ceci est démontré pour des dispositifs basés sur des jonctions tunnels magnétiques. La deuxième méthode est basée sur l'analyse des largeurs de raies des harmoniques du signal, où il est montré que du fait des propriétés non-isochrones des STO, la relation entre Dfn et Df1 est non triviale et permet l'extraction de NU et Gp. Nous utilisons alors toutes les informations obtenues sur le régime autonome de la dynamique des STO pour comprendre leur dynamique non-autonome qui sont des pré-requis à leurs utilisations dans des architectures RF complexes. / Spin Torque Oscillators (STO) are nano-sized Radio-Frequency oscillators whose frequency agility can be tuned by an order of magnitude. This tuning originates from the non-linear properties of the underlying magnetization dynamics that is induced by spin transfer torque (STT) in multilayered magnetic nanostructures. Being highly tunable in frequency has the inconvenient of creating a very strong sensitivity to noise. As a result the spectral purity of STOs is far below the one required for applications for instance in telecommunications. The magnetization dynamics induced by STT has been described theoretically in the frame of nonlinear spin wave theory that makes the essential features of the underlying properties very transparent. However important information on the excitation mode are "buried" in phenomenological parameters such as NU the amplitude-phase coupling and Gp the amplitude relaxation rate. Determining these parameters with accuracy from experiments is thus an important issue. This thesis describes several experimental methods to extract these parameters. The first is time domain noise spectroscopy which permits to extract phase and amplitude noise Power Spectral Densities. Their analysis in the frame of theoretical models allows direct extraction of the nonlinear parameters, but also to quantify the technological relevant phase noise. This is demonstrated for magnetic tunnel junction devices. A second method is the analysis of higher harmonics linewidth, where it is shown that due to the non-isochronous property of STOs, the relationship between Dfn and Df1 is non-trivial and allows to extract NU and Gp. We then apply the information gathered on the autonomous dynamics of STOs to understand the non-autonomous dynamics of STOs that are a prerequisite for the use of STOs in complex RF architectures. It is shown experimentally how the nonlinear parameters influence this non-autonomous behaviour.

L'interaction entre électrons de conduction itinérants et électrons localisés dans les hétérostructures magnétiques est à l'origine d'effets tels que le transfert de moment de spin, le pompage de spin ou l'effet Hall de spin. Cette thèse est centrée sur le phénomène de pompage de spin : une couche ferromagnétique (FM) en précession injecte un courant de spin pur dans les couches adjacentes. Ce courant de spin peut être partiellement ou totalement absorbé par une couche, dite réservoir de spin, placée directement en contact avec le matériau ferromagnétique ou séparée par une couche d'espacement. L'absorption de la composante transverse du courant de spin induit une augmentation de l'amortissement de la précession ferromagnétique de la couche libre. Cet effet à été mesuré par des expériences de résonance ferromagnétique avec, pour la couche en précession FM, trois matériaux ferromagnétiques différents (NiFe, CoFeB et Co), et pour la couche de réservoir de spin, différents matériaux paramagnétiques (Pt, Pd, Ru), ferromagnétiques et antiferromagnétiques. Dans un premier temps, nous avons vérifié que le facteur d'amortissement non-local généré est de type amortissement de Gilbert, et qu'il est inversement proportionnel à l'épaisseur de la couche en précession FM. L'analyse de l'augmentation de l'amortissement a été réalisée dans le cadre du modèle de pompage de spin adiabatique proposé par Tserkovnyak et al.. Dans un second temps et suivant ce modèle, nous avons extrait les paramètres de conductance avec mélange de spin à l'interface g↑↓ pour différentes interfaces, ces paramètres déterminent le transport du courant de spin à travers des interfaces ferromagnétique/métal non-magnétique. Un troisième résultat important de cette thèse porte sur la longueur d'absorption du courant de spin dans des matériaux ferromagnétiques et paramagnétiques. Celle-ci varie considérablement d'un matériau à l'autre. Pour les matériaux ferromagnétiques, la longueur d'absorption du courant de spin est linéaire par rapport à l'épaisseur de la couche réservoir de spin, avec pour longueur caractéristique ~ 1 nm. Ce résultat est en cohérence avec les théories antérieures et avec les valeurs de longueur de déphasage de spin pour le transfert de moment de spin dans les matériaux ferromagnétiques. Dans les paramagnétiques tels que Pt, Pd, Ru, la longueur d'absorption est soit linéaire soit exponentielle selon que le réservoir paramagnétique est directement en contact avec la couche en précession ou bien séparé par une couche mince d'espacement en Cu. La longueur caractéristique correspondante est inférieure à la longueur de diffusion de spin. Des mesures complémentaires de dichroïsme circulaire magnétique par rayons X ont révélé une induction de moments magnétiques dans les matériaux paramagnétiques comme Pd, Pt, lorsque couplé directement ou indirectement avec une couche FM. Ce résultat fournit une explication de la dépendance en épaisseur linéaire observée dans les hétérostructures en contact direct. Etant donné que le pompage de spin et le couple de transfert de spin (STT) sont des processus réciproques, les résultats de cette thèse sur la conductance avec mélange de spin, la longueur d'absorption de spin et les moments de spin induits sont également d'un grand intérêt pour les études de transfert de moment de spin, ainsi que d'effet Hall de spin, direct et inverse. L'avantage des études présentées ici réside dans le fait qu‘elles sont effectuées sur des couches minces continues, sans aucune étape de nanofabrication. / In magnetic heterostructures, the interaction between itinerant conduction electrons with localized electrons is at the origin of effects such as the spin momentum transfer, spin pumping or the spin Hall effect. This thesis is centred on the phenomenon of spin pumping, which states that a precessing ferromagnetic (FM) layer injects a pure spin current into its adjacent metallic layers. This spin current can be partially or fully absorbed by a spin sink layer, placed directly in contact with the ferromagnet or separated by a spacer layer. The absorption of the transverse component of the spin current results in an enhancement of the effective damping of the precessing ferromagnet which we have studied using ferromagnetic resonance experiments for three different ferromagnets (NiFe, CoFeB and Co) as the precessing FM layer and various paramagnets (Pt, Pd, Ru), ferromagnets or an antiferromagnet as the spin sink layer. As a first step we have verified that the additional non-local damping is Gilbert type, and that it depends inversely on the thickness of the FM precessing layer. The analysis of the enhanced damping was done in the frame of an adiabatic spin pumping model proposed by Tserkovnyak et al. Within this model we extracted as a second step the interfacial spin mixing conductance parameters g↑↓ for various interfaces, which determine the spin current transport through FM/NM interfaces. A third important result of the thesis concerns the absorption length of spin currents in ferromagnets and paramagnets which we found can be very different. In ferromagnets the spin current absorption is linear with the spin sink layer thickness, with a characteristic length of ~1nm. This is consistent with theory and the spin dephasing length for spin momentum transfer in ferromagnets. In paramagnets such as Pt, Pd, Ru, the spin current absorption is either linear or exponential depending on whether the paramagnetic is directly in contact with the FM or separated by a thin Cu spacer layer. The corresponding characteristic length is less than the spin diffusion length. Complementary X-ray magnetic circular dichroism measurements revealed induced magnetic moments in paramagnets like Pd, Pt when directly or indirectly coupled with a FM layer. This provides an explanation for the linear thickness dependence for the direct contact heterostructures. Since spin pumping and spin transfer torque (STT) are reciprocal processes the results of this thesis on the spin mixing conductances, spin absorption length scales and induced moments will also be of great interest for studies on spin momentum transfer, Spin Hall effect and Inverse Spin Hall effect. The convenience being that these studies can be done on continuous films and no nanofabrication is required.

The present work addresses in-depth magnetic films with magnonic surface patterning of variable size. Two different kinds of such structures referred to as surface-modulated magnonic crystals were investigated: Ion-irradiated magnonic crystals and structurally etched magnonic crystals. To achieve that, two different experimental approaches were pursued. On the one hand, the magnetic moment at the surface of lithographically patterned permalloy (Ni80Fe20) films was periodically reduced by means of ion irradiation. On the other hand, structural trenches were introduced at the surface of a pre-patterned thin film by sequential ion milling. The goal is the acquisition of a fundamental understanding of the behavior of spin-wave modes in the transition from a continuous magnetic thin film to a full magnonic crystal, i.e. separated periodic magnetic structures. In the framework of this thesis, the spin-wave eigen-modes of such magnonic crystals were mainly investigated spectroscopically by means of ferromagnetic resonance. Thereby, the “Two-magnon scattering perturbation theory” and the “plane-wave method” were employed as the theoretical methodologies to understand the complex dynamics of such systems. The first is a reliable method to calculate the dynamic response of surface-modulated magnonic crystals where the modulation is of a perturbation character, i.e. small compared to the film thickness. The latter is a quasi-analytical approach to calculate the dynamic eigen-modes of magnonic crystals consisting of different components with significantly varying properties. Moreover, numerical methods were employed to get further insight into the spin dynamics of these structures. In such systems, the spin-wave behavior follows the well-known dispersion relation of flat magnetic thin films as long as the surface-modulation is small compared to the film thickness. In this work, it was shown that this circumstance can be exploited for a parameter-free determination of the exchange constant A, which is not experimentally accessible for magnetic thin films in a straightforward manner. However, once the modulation height is of significant magnitude, the dynamics of surface-modulated magnonic crystals become substantially more complex. A straightforward understanding of such kind of system is hampered by the complex interplay of different effects. On the one hand, the internal demagnetizing field reveals an alternating character and depends itself on the modulation height and the field angle. On the other hand, the dynamic eigen-modes are hybridized, i.e., they reveal different characteristics in different regions of the magnonic crystal and, in addition, they couple to each other. Here, the approach is particularly favorable to investigate the spin dynamics of surface-modulated magnonic crystals by systematically altering the modulation height of the same sample. This is mainly due to two reasons. First, the two edge cases, namely the thin film and the full magnonic crystal, are already well understood and, second, other magnetic and structural parameters remain constant. With the help of the measurement results and the simulations, the quasi-analytical theory was validated. Subsequently, the mode profiles were calculated by theory and simulation in order to analyze the mode character in the transition from a thin film to a full magnonic crystal. Two kinds of dynamic eigen-modes were identified, namely hybridized modes and localized modes. For both types, simple formulae were derived describing their characteristic dynamic behavior. Besides, transition rules were found connecting the mode number n of film modes with the mode number m of modes in the full magnonic crystal. In order to correlate the symmetry and magnitude of the demagnetizing field with the spin-wave eigen-modes, the internal fields of a strongly surface-modulated magnonic crystal were reconstructed by electron holography measurements. By reemploying the measurement results for micromagnetic simulations, the dynamics of the whole system could be reproduced. This strategy allowed for a better understanding of the link between the demagnetizing field and the spin-wave mode characteristics. Based on these results, a simplified model for the analytical description of the inplane angular dependence was found. The acquired understanding of such systems led to the elaboration of specific applications, such as the spin-wave channelization. It should be noted that the coupling of uniform to non-uniform spin-wave phenomena, which is an intrinsic property of these structures, holds out the prospect of several applications in the future.

This work presents a detailed investigation of magnetization dynamics in synthetic antiferromagnets (SAFs), which has been studied both experimentally, using electrically-detected ferromagnetic resonance (ED-FMR) and vector-network analyzer-based ferromagnetic resonance (VNA-FMR), and theoretically. Two modes, one with in-phase and one with 180° out-of-phase precessing magnetizations of the layers, are identified in all applied field regimes, namely, a low-field antiferromagnetically coupled regime (when magnetizations of the layers have opposite directions), a spin-flop regime at intermediate field values (when magnetizations are non-collinear) and a high-field saturation regime (when both magnetazations are collinear to each other and the external magnetic field direction). The qualitative theoretical description, found to be in good agreement with the experimental data, is given using a system of coupled Landau-Lifshitz equations. In this work, for the first time to our knowledge, it is shown that for SAFs with different magnetic moments of the individual layers, dynamic, and not static, Zeeman and interlayer exchange coupling energies are solely resposible for the frequency-field dependence in the antiferromagnetically coupled regime. The changes in the dynamical energy terms lead to the changes in the dynamical components of the precessing magnetizations. As the external magnetic field is varied, the amplitude of the components vary continiously in different ways for different modes, dropping to zero in the spin-flop regime, which is reflected in the amplitudes of ED-FMR and VNA-FMR. This effect appears only in SAFs with different magnetic moments of the layers and is related to the different increase in the Zeeman energy of the layers as the externally applied field increases. The variation of the dynamical components leads to the modulation of an exchange of spin-angular momentum between the layers (so called spin-pumping effect).This is directly reflected in the measured linewidths for the modes in both ED-FMR and VNA-FMR. As was shown before in the literature and is also confirmed here, spin-pumping leads to a constant difference in linewidths between two modes for SAFs in the saturated case. Here, we extend the previous findings to non-saturated regimes. We show that in non-saturated states, the linewidth difference does not remain constant and varries with the external magnetic field. This linewidth difference changes can be qualitatively explained using the modulation of the dynamical magnetization components. In order to directly model the spin-pumping effects, additional terms are introduced in the coupled Landau-Lifshitz equations, related to the intrinsic damping in the magnetic layers and spin-pumping induced effects. The calculations of linewidth dependences using the extended model are not in full agreement with the experiments, suggesting that additional effects must be added to the model (for example, potential domain formations). Additionly, due to the dependence of the effect on the Zeeman energy asymmetry between the layers of the SAF, SAFs with different ratio of thicknesses are studied. Although the trends described above are common to all the samples, no significant enhancement of spin-pumping effects are observed. Modeling shows that, although the evolution of the dynamical magnetization components does depend on the magnetic moment ratio between the layers, the difference between maximum and minimum values remains almost constant and does not alter the observed linewidth-field dependence.:1 Fundamentals 1 1.1 Magnetic moment 1 1.2 Magnetic energy contributions 6 1.2.1 Zeeman energy 6 1.2.2 Demagnetization energy 7 1.2.3 Magnetic anisotropy 9 1.2.4 Direct Exchange Energy 13 1.2.5 Indirect Exchange. Interlayer Exchange Coupling Energy 15 1.3 Magnetoresistance 17 1.3.1 Ordinary Magnetoresistance 17 1.3.2 Anisotropic Magnetoresistance 20 1.3.3 Giant Magnetoresistance 22 1.4 Magnetization dynamics 25 1.4.1 Classical motivation 25 1.4.2 Quantum mechanical justification 27 1.5 Spin-currents and Spin-pumping 29 2 Experimental methods 33 2.1 Vibrating Sample Magnetometry 33 2.2 Ferromagnetic resonance 34 2.2.1 Cavity-FMR 35 2.2.2 VNA-FMR 36 2.3 Electrically detected ferromagnetic resonance 39 3 Synthetic antiferromagnets. Theoretical model 47 3.1 Static model 47 3.2 Dynamical model 54 4 Sample fabrication and characterization 58 4.1 Fabrication 58 4.2 Static characterization 62 5 Magnetization dynamics in asymmetric SAFs 68 5.1 Dynamical measurements on Py(3nm)/ Ru(0.85 nm)/Py(9 nm) 68 5.2 Theoretical explanation 71 5.3 Dynamics in SAFs with varying asymmetry of the layers 80 6 High-frequency spin-pumping in SAFs 86 6.1 Spin-pumping in magnetic trilayers 86 6.2 Spin-pumping in SAFs 88 6.3 Dependence on the asymmetry between the layers 94 7 Conclusions and outlook 99 A General description of the trilayer system without damping and spin-pumping contributions 102 A.1 Effective fields 103 A.2 Final equations 107 B Mathematica program used for the theoretical modeling 108 B.1 Matrix Elements 108 B.2 Frequency-Modes 109 B.3 Dynamical components and corresponding dynamical energies 112 B.4 Equilibrium condition 114 B.5 Dynamical Energies 118 B.6 Dynamical Trajectories 121 Bibliography 125

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In this thesis we studied precession mechanism in ferromagnetic thin film half-metal NiMnSb. We measured magnetization oscillations using optical pump and probe experiment at temperatures between 15 and 200 K and we evaluated the magnetic anisotropy fields, spin stiffness and Gilbert damping. New setup for ferromagnetic resonance measurement was built utilizing vector network analyser. With this setup we measured FMR at temperatures between 300 and 75 K. We evaluated the same parameters from FMR experiments as from the optical one. We found very good agreement in results obtained by the two methods. Powered by TCPDF (www.tcpdf.org)

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