Les syndromes démyélinisants acquis (SDA) pédiatriques sont un groupe de maladies qui affectent la substance blanche (SB) et la substance grise (SG) du système nerveux central (SNC) chez les enfants, et qui partagent certaines caractéristiques et mécanismes pathologiques. Les SDA peuvent être monophasiques ou récurrents. Les SDA comprennent des maladies telles que l'encéphalomyélite aiguë disséminée (EMDA), les troubles du spectre de la neuromyélite optique (TS-NMO), la sclérose en plaques (SEP) et le syndrome démyélinisant récurrent avec anticorps contre la glycoprotéine oligodendrocytique de myéline (anticorps anti-MOG). Ce dernier syndrome, appelé aussi maladie MOG+, a été reconnu récemment comme une entité distincte faisant partie des maladies démyélinisantes récurrentes chez les enfants. La maladie MOG+ présente des caractéristiques semblables à celles de la SEP; en effet, certains cas ont été déjà considérés comme une forme « atypique » de SEP. La maladie MOG+ et la SEP partagent des lésions dans la SB du SNC, mais la SEP est caractérisée aussi par des lésions corticales (LCs) cérébrales, insuffisamment étudiées dans la maladie MOG+. Par conséquent, le but de cette recherche a été de comparer les caractéristiques démographiques et des lésions cérébrales visibles sur des études d’imagerie par résonance magnétique (IRM) chez les enfants atteints de SEP et ceux atteints de la maladie MOG+. Pour atteindre cet objectif, nous avons utilisé des scans IRM 3T, incluant les contrastes pondérés T1, FLAIR et des images de transfert de magnétisation (ITM) de 14 enfants atteints de SEP et 13 enfants atteints de la maladie MOG+. Nous avons mesuré le nombre des LCs, le volume des lésions dans la SB et les valeurs normalisées d’ITM dans les LCs et les lésions de la SB. Nos résultats ont montré que les enfants atteints de la maladie MOG+ étaient plus jeunes au début de la maladie et que celle-ci présentait une durée plus longue que la maladie du groupe SEP. Quant aux lésions cérébrales, les LCs étaient présentes dans la maladie MOG+, mais leur nombre était significativement plus élevé dans le groupe SEP. Cependant, les valeurs normalisées d’ITM dans ces lésions (valeurs qui sont sensibles à la quantité de myéline) n'étaient pas significativement différentes entre les deux groupes. En plus, le volume des lésions de la SB était significativement plus élevé dans le groupe SEP et les valeurs normalisées d’ITM dans ces lésions, significativement inférieures comparativement à la maladie MOG+, témoignant ainsi d’une démyélinisation plus sévère et des différences potentielles dans les mécanismes de démyélinisation. / Pediatric Acquired Demyelinating Syndromes (ADS) are a group of diseases that affect the white matter (WM) and gray matter (GM) of the central nervous system (CNS) in children and that share similar pathological characteristics and mechanisms. ADS can be monophasic or recurrent. The ADS include diseases like acute disseminated encephalomyelitis (ADEM), neuromyelitis optic spectrum disorders (NMO-SD), multiple sclerosis (MS) and Relapsing Myelin Oligodendrocyte Glycoprotein (MOG) syndrome or MOG+ disease, which has been recently recognised as a distinct pathology and is part of the relapsing ADS in children. MOG+ disease shares features with MS; indeed, some MOG+ cases have been considered as an “atypical” form of MS until recently. Both MOG+ disease and MS present lesions in the WM of the CNS. MS is also characterized by focal brain cortical lesions (CL), which have not been extensively studied in MOG+ disease yet. For this reason, the aim of this research project was to compare the demographic and brain magnetic resonance imaging (MRI) characteristics of children with MS and children with MOG+ disease. To achieve our goal, we used 3T MRI including T1-weighted, FLAIR and magnetization transfer ratio (MTR) contrasts of 14 MS participants, and 13 relapsing MOG+ participants. CL counts, WM lesion volumes, normalized MTR values in CLs, and WM lesions were compared across groups. Our results show that children with MOG+ disease were younger at disease onset and had a longer disease duration compared to the MS group. CL were present in MOG+ participants, but counts were significantly higher in the MS group. However, their normalized-MTR values, which are sensitive to myelin, were not significantly different between both groups. WM lesion volumes were significantly higher in the MS group, but their normalized MTR values were significantly lower than in MOG+ WM lesions, likely reflecting more severe demyelination and potential differences in the demyelinating mechanism.

Das Thema dieser Arbeit ist die Synthese von Ferromagnet-Halbleiter-Nanodraht-Strukturen in einer Kern-Hülle-Geometrie. Diese wird mittels Molekularstrahlepitaxie unter der Verwendung von GaAs und Fe3Si ausgeführt. Im Zentrum der Arbeit steht die Frage, ob sich mit derartigen Strukturen Magnetisierungen senkrecht zum Substrat realisieren lassen. Eine solche Konfiguration der Magnetisierung innerhalb bestimmter Strukturen ist wünschenswert, denn sie bildet die Grundlage einiger zukunftsweisender spintronischer Bauteilkonzepte. Aufgrund der Formanisotropie dünner Schichten ist diese Konfiguration der Magnetisierung in planaren Strukturen nur mit erheblichem Aufwand zu bewerkstelligen. Bildet sich hingegen in den Nanodraht-Hüllen eine Stabmagnetisierung aus, so führt dies direkt zur gewünschten senkrechten Magnetisierung. Im ersten Teil dieser Arbeit wird der Epitaxie-Prozess vorgestellt. Abhängig von den Wachstumsparametern können Hüllen mit glatten Seitenflachen, einer hohen Kristallordnung, ebenen Grenzflachen zum GaAs-Kern und epitaktischer Ausrichtung realisiert werden. Der zweite Teil behandelt die magnetischen Eigenschaften der Nanodrahte. Ensemble-Charakterisierungen sind hierbei in diesem Fall nicht geeignet. Einzeldraht-Messungen hingegen zeigen, dass sich in den Nanodraht-Hüllen wie erhofft eine Stabmagnetisierung ausbildet. Der dritte und letzte Teil dieser Dissertation umfasst die Einführung mehrerer zukunftsweisender Bauteilkonzepte, basierend auf den speziellen magnetischen Eigenschaften der hier vorgestellten Nanodrahte. Dazu gehören dreidimensionale Speicherarchitekturen mit bislang unerreichten Speicherkapazitäten und zirkular polarisiertes Licht emittierende Leuchtdioden für einen enorm schnellen Spininformations-Transfer zur Intrachip-Kommunikation. / The subject of the present work is the synthesis of ferromagnet-semiconductor coreshell nanowires. To realize such structures molecular beam epitaxy has been employed. For the investigation the well-suited materials systems GaAs and Fe3Si are used. Within the framework of this thesis the open question whether a magnetization in the nanowires that is perpendicular to the nanowire’s substrate can be realized is of special interest. Such a configuration of the magnetization is desirable, because some spintronic device concepts rely on magnetizations perpendicular to the substrate. In general, with the exception of very limited and highly specific materials, the shape anisotropy of thin magnetic layers causes the magnetic moments to orient along an in-plane direction and therefore, perpendicular configurations of the magnetization do not occur at equilibrium conditions. In contrast, magnetic nanowires with moments pointing along the wire axis directly provide the desired out-of plane magnetization. In the first part, the epitaxial procedure to realize the core-shell nanowires is described. Nanowires with smooth side walls, smooth interface to the GaAs core, a fairly high structural ordering and an epitaxial orientation relationship are produced. In the second part, the magnetic properties of the core-shell nanowires are analyzed. It is shown that characterizations of an ensemble of wires cannot resolve magnetic properties of the shells. Investigations on single nanowires however revealed that the magnetization in the shells is indeed as desired oriented along the wires. Several innovative device concepts based on the specific magnetic properties of these core-shell nanowires are finally introduced in the third part of this work. Within these concepts three-dimensional magnetic recording devices with unsurpassed data storage capacities and circular polarized light emitting diodes for tremendously fast spin information transfer for intrachip communication can be realized.

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden. Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.

Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Preisach-Modell bezüglich stochastischer äußerer Felder und temperaturbezogener Aspekte zu untersuchen. Das phänomenologische Preisach-Modell wird oft erfolgreich angewendet, um Systeme mit Hysterese zu beschreiben. Im ersten Teil der Arbeit wird die Antwort des Preisach-Modells auf stochastische äußere Felder untersucht. Hier liegt das Augenmerk hauptsächlich auf der Autokorrelation; sie dient dazu den Einfluss des hysteretischen Gedächtnisses zu quantifizieren. Mit analytischen Methoden wird gezeigt, dass sich ein Langzeitgedächtnis, sichtbar in der Autokorrelation der Systemantwort, entwickeln kann, selbst wenn das treibende Feld unkorreliert ist. Im Anschluss werden diese Resultate, m.H. von Simulationen, auf äußere Felder ausgeweitet, die selbst Korrelationen aufweisen können. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer endlichen Temperatur auf das Preisach-Modell. Es werden unterschiedliche Methoden besprochen, wie das Nichtgleichgewichtsmodell in seiner mikromagnetischen Interpretation mit Temperatur als Gleichgewichtseigenschaft verknüpft werden kann. Eine Formulierung wird genutzt, um die Magnetisierung von Nickelnanopartikeln in einer Fullerenmatrix zu simulieren und mit Experimenten zu vergleichen. Des Weiteren wird die Relaxationsdynamik des Gedächtnisses des Preisach-Modells bei endlichen Temperaturen untersucht. / The aim of this thesis is to investigate the Preisach model in regard to stochastically driving and temperature-related aspects. The Preisach model is a phenomenological model for systems with hysteresis which is often successfully applied. Hysteresis is a widespread phenomenon which is observed in nature and the key feature of certain technological applications. Further, it contributes to phenomena of interest in social science and economics as well. Prominent examples are the magnetization of ferromagnetic materials in an external magnetic field or the adsorption-desorption hysteresis observed in porous media. Hysteresis involves the development of a hysteresis memory, and multistability in the interrelations between external driving fields and system response. In the first part, we mainly investigate the response of Preisach hysteresis models driven by stochastic input processes with regard to autocorrelation functions to quantify the influence of the system’s memory. Using rigorous methods, it is shown that the development of a hysteresis memory is reflected in the possibility of long-time tails in the autocorrelation functions, even for uncorrelated driving fields. In the case of uncorrelated driving, these long-time tails in the autocorrelations of the system’s response are determined only by the tails of the involved densities. They will be observed if there are broad Preisach densities assigning a high weight to elementary loops of large width and narrow input densities such that rare extreme events of the input time series contribute significantly to the output for a long period of time. Afterwards, these results are extended by simulations to driving fields which themselves show correlations. It is shown that the autocorrelation of the output does not decay faster than the autocorrelation of the input process. Further, there is a possibility that long-term memory in the hysteretic response is more pronounced in the case of uncorrelated driving than in the case of correlated driving. The behavior of the output probability distribution at the saturation values is quite universal. It is not affected by the presence of correlations and allows conclusions whether the input density is much more narrow than the Preisach density or not. Moreover, the existence of effective Preisach densities is shown which define equivalence classes of systems of input and Preisach densities which lead to realizations of the same output variable. The asymptotic behavior of an effective Preisach density determines the asymptotic correlation decay of the system’s response in the case of uncorrelated driving. In the second part, temperature-related effects are considered. It is reviewed how the non-equilibrium Preisach model in its micromagnetic picture can be related to temperature within the framework of extended irreversible thermodynamics. The irreversible response of a ferromagnetic material, namely, Nickel nanoparticles in a fullerene matrix, is simulated. The model includes superparamagnetism where ferromagnetism breaks down at temperatures lower than the Curie temperature and the results are compared to experimental data. Furthermore, we adapt known results for the thermal relaxation of the system’s memory in the form of a front propagation in the Preisach plane derived basically from solving a master equation and by the use of a contradictory assumption. A closer look is taken at short time scales which dissolves the contradiction and shows that the known results apply, taking into account the fact that the dividing line propagation starts with an additional delay time depending on the front coordinates in the Preisach plane. Additionally, it is outlined how thermal relaxation behavior in the Preisach model of hysteresis can be studied using a Fokker-Planck equation. The latter is solved analytically in the non-hysteretic limit using eigenfunction methods. The results indicate a change in the relaxation behavior, especially on short time scales.

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Ziel der vorliegenden Arbeit ist es, das Preisach-Modell bezüglich stochastischer äußerer Felder und temperaturbezogener Aspekte zu untersuchen. Das phänomenologische Preisach-Modell wird oft erfolgreich angewendet, um Systeme mit Hysterese zu beschreiben. Im ersten Teil der Arbeit wird die Antwort des Preisach-Modells auf stochastische äußere Felder untersucht. Hier liegt das Augenmerk hauptsächlich auf der Autokorrelation; sie dient dazu den Einfluss des hysteretischen Gedächtnisses zu quantifizieren. Mit analytischen Methoden wird gezeigt, dass sich ein Langzeitgedächtnis, sichtbar in der Autokorrelation der Systemantwort, entwickeln kann, selbst wenn das treibende Feld unkorreliert ist. Im Anschluss werden diese Resultate, m.H. von Simulationen, auf äußere Felder ausgeweitet, die selbst Korrelationen aufweisen können. Der zweite Teil der Arbeit befasst sich mit dem Einfluss einer endlichen Temperatur auf das Preisach-Modell. Es werden unterschiedliche Methoden besprochen, wie das Nichtgleichgewichtsmodell in seiner mikromagnetischen Interpretation mit Temperatur als Gleichgewichtseigenschaft verknüpft werden kann. Eine Formulierung wird genutzt, um die Magnetisierung von Nickelnanopartikeln in einer Fullerenmatrix zu simulieren und mit Experimenten zu vergleichen. Des Weiteren wird die Relaxationsdynamik des Gedächtnisses des Preisach-Modells bei endlichen Temperaturen untersucht. / The aim of this thesis is to investigate the Preisach model in regard to stochastically driving and temperature-related aspects. The Preisach model is a phenomenological model for systems with hysteresis which is often successfully applied. Hysteresis is a widespread phenomenon which is observed in nature and the key feature of certain technological applications. Further, it contributes to phenomena of interest in social science and economics as well. Prominent examples are the magnetization of ferromagnetic materials in an external magnetic field or the adsorption-desorption hysteresis observed in porous media. Hysteresis involves the development of a hysteresis memory, and multistability in the interrelations between external driving fields and system response. In the first part, we mainly investigate the response of Preisach hysteresis models driven by stochastic input processes with regard to autocorrelation functions to quantify the influence of the system’s memory. Using rigorous methods, it is shown that the development of a hysteresis memory is reflected in the possibility of long-time tails in the autocorrelation functions, even for uncorrelated driving fields. In the case of uncorrelated driving, these long-time tails in the autocorrelations of the system’s response are determined only by the tails of the involved densities. They will be observed if there are broad Preisach densities assigning a high weight to elementary loops of large width and narrow input densities such that rare extreme events of the input time series contribute significantly to the output for a long period of time. Afterwards, these results are extended by simulations to driving fields which themselves show correlations. It is shown that the autocorrelation of the output does not decay faster than the autocorrelation of the input process. Further, there is a possibility that long-term memory in the hysteretic response is more pronounced in the case of uncorrelated driving than in the case of correlated driving. The behavior of the output probability distribution at the saturation values is quite universal. It is not affected by the presence of correlations and allows conclusions whether the input density is much more narrow than the Preisach density or not. Moreover, the existence of effective Preisach densities is shown which define equivalence classes of systems of input and Preisach densities which lead to realizations of the same output variable. The asymptotic behavior of an effective Preisach density determines the asymptotic correlation decay of the system’s response in the case of uncorrelated driving. In the second part, temperature-related effects are considered. It is reviewed how the non-equilibrium Preisach model in its micromagnetic picture can be related to temperature within the framework of extended irreversible thermodynamics. The irreversible response of a ferromagnetic material, namely, Nickel nanoparticles in a fullerene matrix, is simulated. The model includes superparamagnetism where ferromagnetism breaks down at temperatures lower than the Curie temperature and the results are compared to experimental data. Furthermore, we adapt known results for the thermal relaxation of the system’s memory in the form of a front propagation in the Preisach plane derived basically from solving a master equation and by the use of a contradictory assumption. A closer look is taken at short time scales which dissolves the contradiction and shows that the known results apply, taking into account the fact that the dividing line propagation starts with an additional delay time depending on the front coordinates in the Preisach plane. Additionally, it is outlined how thermal relaxation behavior in the Preisach model of hysteresis can be studied using a Fokker-Planck equation. The latter is solved analytically in the non-hysteretic limit using eigenfunction methods. The results indicate a change in the relaxation behavior, especially on short time scales.

Zur Aufklärung der lokalen Magnetisierungs- und magnetischen Streufeldstruktur in ferromagnetischen und supraleitenden Materialien wurden magnetkraftmikroskopische (Magnetkraftmikroskopie-MFM) Untersuchungen durchgeführt und quantitativ ausgewertet. Für eine solch quantitative Auswertung muss der Einfluß der verwendeten MFM-Spitzen auf das MFM-Bild bestimmt und in geeigneter Weise subtrahiert werden. Hierzu wurden Spitzenkalibrierungsroutinen und ein Verfahren zur Entfaltung der gemessenen MFM-Daten implementiert, das auf der Wiener Dekonvolution basiert. Mit Hilfe dieser Prozedur können sowohl die räumliche Ausdehnung als auch die Größe der Streufelder direkt aus gemessenen MFM-Bildern bestimmt werden. Gezeigt wurde diese Anwendung für die Durchmesserbestimmung von Blasendomänen in einer (Co/Pd)-Multilage und für die Bestimmung der temperaturabhängigen magnetischen Eindringtiefe in einem supraleitendem BaFe2(As0.24P0.76)2 Einkristall. Desweiteren konnte durch die Kombination von mikromagnetischen Rechnungen und der quantitativen MFM-Datenanalyse die Existenz einer dreidimensionalen Vortex-Struktur am Ende von Co48Fe52-Nanodrähten nachgewiesen werden. Damit ist es gelungen die Tiefensensitivität der Magnetkraftmikroskopie erfolgreich in die Rekonstruktion der vermessenen Magnetisierungsstruktur einzubeziehen.:Introduction 6 1 Contrast formation in Magnetic Force Microscopy (MFM) 9 1.1 Type of interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.1 Relevant interaction forces . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 1.1.2 Magnetic interaction mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 1.2 Basic magnetostatics of the tip-sample system . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.1 General magnetostatic expressions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 1.2.2 Description of the tip sample system . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 1.2.3 Magnetostatics in Fourier space . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 2 Instrumentation 20 2.1 Scanning Force Microscopy (SFM) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.1 Measurement principle and operation modes . . . . . . . . . . . . . 20 2.1.2 Dynamic mode SFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2 Lift mode MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.3 Non-contact MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.4 Vibrating Sample Magnetometry . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 3 Quantitative Magnetic Force Microscopy 28 3.1 The challenge of MFM image inversion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 3.1.1 Description of the problem and state of the art . . . . . . . . . . . 28 3.1.2 The point probe approximations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 3.1.3 The transfer function approach . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 3.2 Tip calibration: Adapted Wiener deconvolution . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.1 Details of the procedure . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2.2 Evaluation of possible errors . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 3.3 Noise measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 3.4 MFM probes and their specific characteristics . . . . . . . . . . . . . . . . 49 3.5 Calibration samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54 3.6 Detection of tip-sample modification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 4 Quantitative MFM with iron filled carbon nanotube sensors (Fe-CNT) 56 4.1 The monopole character of Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 4.1.1 Calibration within the point probe approximation . . . . . . . . . . 57 4.1.2 Calibration results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 4.1.3 Quantitative MFM on a [Co/Pt]/Co/Ru multilayer . . . . . . . . . 62 4.2 Inplane sensitive MFM with Fe-CNT sensors . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.1 Bimodal MFM technique . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63 4.2.2 Comparison between calculated and measured in-plane contrast . . 66 5 Quantification of magnetic nanoobjects in MFM measurements 70 5.1 Bubble domains in a [Co/Pd]80 multilayer . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 5.1.1 Micromagnetic model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.2 MFM image simulation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72 5.1.3 Results and discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.2 Quantitative assessment of the magnetic penetration depth in superconductors 78 5.2.1 Comparison of methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 5.2.2 Experimental determination of the temperature dependent penetration depth in a BaFe2(As0:24P0:76)2 single crystal . . . . . . . . . . . 83 6 Magnetization studies of CoFe nanowire arrays on a local and global scale 87 6.1 Revisiting the estimation of demagnetizing fields in magnetic nanowire arrays 88 6.1.1 Available approaches . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.2 Calculation of demagnetizing fields in nanowire arrays . . . . . . . . 91 6.2 Micromagnetic Simulations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99 6.3 Combination of demagnetizing field calculations and micromagnetic simulation100 6.4 Experimental details . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102 6.5 Global hysteresis measurements of CoFe nanowire arrays with varying length 104 6.6 Local magnetic characterization of a CoFe nanowire array by quantitative MFM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 6.6.1 Magnetic structure of individual nanowires . . . . . . . . . . . . . . 107 6.6.2 Magnetization reversal of the nanowire array . . . . . . . . . . . . . 110 6.7 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117 Conclusions and Outlook 119 Bibliography 121 Acknowledgements 135

Durch die laterale Modifizierung der magnetischen Eigenschaften von austauschgekoppelten NiFe/IrMn-Schichten wurden weichmagnetische Schichten geschaffen, die sowohl neue statische als auch dynamische hybride Eigenschaften zeigen. Als laterale Strukturierungsmethoden wurden hierbei die lokale Oxidation sowie Ionenimplantation verwendet. Mit Hilfe dieser Verfahren ist es gelungen spezifische magnetische Domänenkonfigurationen mit Streifenstrukturen nominell antiparalleler Magnetisierungsausrichtung in die Schichten einzuprägen. In Abhängigkeit der Strukturorientierung sowie Streifenperiode konnte direkt das Ummagnetisierungsverhalten sowie die magnetische Resonanzfrequenz und Dämpfung der Schichten modifiziert werden. Die neuen dynamischen Eigenschaften wie z.B. eine hybride Resonanzfrequenz werden hierbei im Rahmen der Kopplung über dynamische Ladungen und die direkte Beeinflussung des effektiven Feldes des künstlich eingebrachten Domänenzustandes diskutiert. Die vorgestellten Ergebnisse belegen somit das große Potential der lateralen Magneto-Strukturierung zur Einstellung spezifischer statischer wie auch dynamischer Eigenschaften magnetisch dünner Schichten.

Manipulation of ferromagnetic (FM) spins (and spin textures) using an antiferromagnet (AFM) as an active element in exchange coupled AFM/FM heterostructures is a promising branch of spintronics. Recent ground-breaking experimental demonstrations, such as electrical manipulation of the interfacial exchange coupling and FM spins, as well as ultrafast control of the interfacial exchange-coupling torque in AFM/FM heterostructures, have paved the way towards ultrafast spintronic devices for data storage and neuromorphic computing device applications.[5,6] To achieve electrical manipulation of FM spins, AFMs offer an efficient alternative to passive heavy metal electrodes (e.g., Pt, Pd, W, and Ta) for converting charge current to pure spin current. However, AFM thin films are often integrated into complex heterostructured thin film architectures resulting in chemical, structural, and magnetic disorder. The structural and magnetic disorder in AFM/FM-based spintronic devices can lead to highly undesirable properties, namely thermal dependence of the AFM anisotropy energy barrier, fluctuations in the magnetoresistance, non-linear operation, interfacial spin memory loss, extrinsic contributions to the effective magnetic damping in the adjacent FM, decrease in the effective spin Hall angle, atypical magnetotransport phenomena and distorted interfacial spin structure. Therefore, controlling the magnetic order down to the nanoscale in exchange coupled AFM/FM-based heterostructures is of fundamental importance. However, the impact of fractional variation in the magnetic order at the nanoscale on the magnetization reversal, magnetization dynamics, interfacial spin transport, and the interfacial domain structure of AFM/FM-based heterostructures remains a critical barrier. To address the aforementioned challenges, we conduct a comprehensive experimental investigation of chemical, structural, magnetization reversal (integral and element-specific), magnetization dynamics, and magnetotransport properties, combined with high-resolution magnetic imaging of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3-based heterostructures. Initially, we study the chemical, structural, electrical, and magnetic properties of epitaxially textured MgO(001)/IrMn3(0-35 nm)/Ni3Fe(15 nm)/Al2O3(2.0 nm) heterostructures. We reveal the impact of magnetic field annealing on the interdiffusion at the IrMn3/Ni3Fe interface, electrical resistivity, and magnetic properties of the heterostructures. We further present an AFM IrMn3 film thickness dependence of the exchange bias field, coercive field, magnetization reversal, and magnetization dynamics of the exchange coupled heterostructures. These experiments reveal a strong correlation between the chemical, structural and magnetic properties of the IrMn3-based heterostructures. We find a significant decrease in the spin-mixing conductance of the chemically-disordered IrMn3/Ni3Fe interface compared to the chemically-ordered counterpart. Independent of the AFM film thickness, we unveil that thermally disordered AFM grains exist in all the samples (measured up to 35-nm-thick IrMn3 films). We develop an iterative magnetic field cooling procedure to systematically manipulate the orientation of the thermally disordered and reversible AFM moments and thus, achieve tunable magnetic, and magnetotransport properties of exchange coupled AFM-based heterostructures. Subsequently, we investigate the impact of fractional variation in the AFM order on the magnetization reversal and magnetotransport properties of the epitaxially textured ɣ-phase IrMn3/Ni3Fe, Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe, and Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/CoO heterostructures. We probe the element-specific (FM: Ni and Co, and AFM: Mn) magnetization reversal properties of the exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO heterostructures in various magnetic field cooled states. We present a detailed procedure for separating the spin and orbital moment contributions for magnetic elements using the XMCD sum rule. We address whether Mauri-type domain walls can develop at the (polycrystalline) exchange coupled Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe interfaces. We further study the impact of magnetic field cooling on the AFM Mn (near L2,3-edges) X-ray absorption spectra. Finally, we employ a combination of in-field high-resolution magnetic force microscopy, magnetooptical Kerr effect magnetometry with micro-focused beam, and micromagnetic simulations to study the magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM and AFM/FM/AFM disk structures. We examine the magnetic vortex annihilation mechanism mediated by the emergence and subsequent annihilation of the vortex-antivortex (V-AV) pairs in simple FM and exchange coupled FM/AFM as well as AFM/FM/AFM disk structures. We image the distorted magnetic vortex structures in exchange coupled FM/AFM disks proposed by Gilbert and coworkers. We further emphasize crucial magnetic vortex properties, such as handedness, effective vortex core radius, core displacement at remanence, nucleation field, annihilation field, and exchange bias field. Our experimental inquiry offers profound insight into the interfacial exchange interaction, magnetization reversal, magnetization dynamics, and interfacial spin transport of the AFM/FM-based heterostructures. Moreover, our results pave the way towards nanoscale control of the magnetic properties in AFM-based heterostructures and point towards future opportunities in the field of AFM spintronic devices.:1. Introduction 2. Magnetic Interactions and Exchange Bias Effect 3. Materials 4. Experimental Methods 5. Structural, Electrical, and Magnetization Reversal Properties of Epitaxially Textured ɣ-IrMn3/ Ni3Fe Heterostructures 6. Magnetization Dynamics of MgO(001)/IrMn3/Ni3Fe Heterostructures in the Frequency Domain 7. Tunable Magnetic and Magnetotransport Properties of MgO(001)/Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/ CoO/Pt Heterostructures 8. Element-Specific XMCD Study of the Exchange Couple Ni3Fe/IrMn3/Ni3Fe/Co/CoO Heterostructures 9. Distorted Vortex Structure and Magnetic Vortex Reversal Processes in Exchange Coupled Ni3Fe/IrMn3 Disk Structures 10. Conclusions and Outlook Addendum Acronyms Symbols Publication List Author Information Acknowledgments Statement of Authorship