Uměle vytvořené systémy spinového ledu jsou vhodným nástrojem pro zkoumání neobvyklých jevů, které se v přírodě dají jen těžko pozorovat. Speciálním případem umělého spinového ledu je kagome mřížka, která umožňuje zkoumat kolektivní chování spinů v látce. Tento systém má řadu předpovězených exotických magnetických fází, které zatím nebyly změřeny a prozkoumány v reálném prostoru. V rámci této práce se zabýváme úpravou kagome mřížky tak, aby mohla být využita ke zkoumání exotických stavů v reálném prostoru. Experimenty provedené na naší upravené mřížce ukazují, že jsme schopni detekovat nízko i vysoko energiové stavy, a tedy, že námi navržená úprava kagome mřížky je vhodná pro zkoumání exotických stavů v reálném prostoru.

Die vorliegende Arbeit präsentiert die ersten detaillierten Untersuchungen des Spin-Reorientierungs-Übergangs in epitaktischen NdCo5-Schichten. Die Proben, die mit gepulster Laserdeposition hergestellt wurden, konnten sowohl als in-plane- als auch als out-of-plane-texturierte Schichten präpariert werden. Für beide Wachstumsvarianten ergaben Röntgendiffraktometrie- und Texturmessungen eine sehr gute Texturierung mit einer nahezu einheitlichen Orientierung der c-Achse, die eine Untersuchung der magnetischen Eigenschaften entlang ausgewählter kristallografischer Richtungen ermöglichte. Die globalen Magnetisierungsmessungen der In-plane-Proben zeigten einen Spin-Reorientierungs-Übergang von einer magnetisch leichten c-Achse für Temperaturen oberhalb von 310 K über einen magnetisch leichten Kegel hin zu einer magnetisch leichten Ebene (a-Achse) unterhalb von 255 K. Die Übergangstemperaturen liegen damit geringfügig über den bisher an Massivproben gemessenen Werten. Aus den magnetischen Hysteresemessungen wurden die magnetokristallinen Anisotropiekonstanten erster und zweiter Ordnung für den Temperaturbereich der magnetisch leichten c-Achse und der magnetisch leichten Ebene ermittelt. Die Untersuchungen der Out-of-plane-Proben wiesen die Existenz einer magnetokristallinen Anisotropie höherer als zweiter Ordnung nach. Sie bewirkt ein unterschiedliches Schaltverhalten der parallel zur a- bzw. b-Achse gemessenen magnetischen Hysteresekurven im Temperaturregime der magnetisch leichten Ebene. Für die in-plane-texturierten Schichten wurde das Domänenmuster und dessen Änderung mit der Temperatur im gesamten Spin-Reorientierungs-Bereich analysiert. Diese Untersuchungen basieren auf in Kooperation mit der Universität Hamburg durchgeführten SEMPA-Messungen. Oberhalb von 318 K liegt eine Zweidomänenkonfiguration mit einer Ausrichtung der Magnetisierung parallel zur c-Achse vor, die beim Abkühlen in das Regime des magnetisch leichten Kegels in einen Vierdomänenzustand übergeht. Unterhalb von 252 K bildet sich eine Zweidomänenkonfiguration mit parallel zur a-Achse orientierter Magnetisierung. Diese lokalen Messungen bestätigten den Spin-Reorientierungs-Übergang mit zu den globalen Magnetisierungsmessungen vergleichbaren Übergangstemperaturen. Für charakteristisch orientierte Domänenwände erfolgten genauere Analysen der Magnetisierungsprozesse in den angrenzenden Domänen. Um ein erweitertes Verständnis der Domänenkonfiguration, deren Temperaturabhängigkeit und der vorhandenen Domänenwände zu erarbeiten, erfolgten mikromagnetische Simulationsrechnungen für ausgewählte Temperaturen. Die Berechnungen wurden sowohl für homogene Systeme als auch für Geometrien mit verschiedenen Pinningzentren durchgeführt. Die Analyse der Domänenwände ergab, dass ihr Bloch- oder Néel-Charakter und die Domänenwandweite von der Temperatur sowie ihrer Ausrichtung parallel zur c- oder a-Achse abhängt. / This thesis presents the first detailed investigation of the spin-reorientation-transition in epitaxial NdCo5 thin films. The samples were prepared by pulsed laser deposition as in-plane or out-of-plane textured films. For both kinds of samples X-ray diffraction and texture measurements revealed a high degree of texture with one common orientation of the c-axis within the film, which allowed an investigation of the magnetic properties along distinct crystallographic directions. Global magnetization measurements of the in-plane textured films showed a spin-reorientation from a magnetic easy axis (c-axis) at temperatures above 310 K via a magnetic easy cone to a magnetic easy plane (a-axis) at temperatures below 255 K. The transition temperatures are slightly higher than values reported for bulk samples. The magnetocrystalline anisotropy constants of first and second order were determined for the regime of the magnetic easy axis and plane. Measurements of the out-of-plane textured films verified the existence of a magnetocrystalline anisotropy of order larger than two, which becomes obvious from a different magnetic switching behavior along the a- and b-axis in the temperature regime of the magnetic easy plane. The domain structure and its changes with temperature were investigated for the in-plane textured films. There exists a two domain state at temperatures above 318 K with an orientation of the magnetization parallel to the c-axis from which a four domain state evolves when cooling down the sample to the easy cone state. Finally, a two domain state exists in the regime of the magnetic easy plane (easy a-axis) with an orientation of the magnetization parallel to the a-axis at temperatures below 252 K. The local measurements confirm the spin-reorientation-transition with transition temperatures comparable to those derived from global magnetization measurements. In addition, a detailed analysis of the magnetization processes for some characteristically oriented domain walls was performed. Micromagnetic simulations were carried out for selected temperatures to achieve a deeper understanding of the temperature dependence of the domain configuration and of the domain walls. The simulations considered homogeneous systems as well as systems with pinning centers. An analysis of the domain walls showed that their character and width depend on temperature and the orientation parallel to the a- or c-axis.

Neuromorphic computing applications could be made faster and more power efficient by emulating the function of a biological synapse. Non-conventional spintronic devices have been proposed that demonstrate synaptic behavior through domain wall (DW) driving. In this work, current induced domain wall motion has been studied through micromagnetic simulations. We investigate the synaptic behavior of a head to head domain wall driven by a spin polarized current in permalloy (Py) nanostrips with shape anisotropy, where triangular notches have been modeled to account for edge roughness and provide pinning sites for the domain wall. We seek optimal material parameters to keep the critical current density for driving the domain wall at order 1011 A/m2.

In the present thesis, magnetization reversal in both out-of-plane and in-plane magnetized thin lms and in devices fabricated out of those lms are explored. Pt/Co/Pt stacks with ultrathin Co layer were in-estimated initially for understanding their magnetic properties in this thesis. These perpendicular magnetized systems are good candidates for magnetic hard disc drives due to their large anisotropy, which may allow miniaturization of magnetic data storage devices. The spin Hall e ect mediated current-induced magnetization reversal in patterned Pt/Co/Pt devices were extensively investigated. Investigation of the magnetization reversal by means of a current instead of a magnetic eld is necessary to explore the possibilities of solid state magnetic memory devices. This is the primary motivation behind the investigation of current-induced magnetization reversal in Pt/Co/Pt system, in this thesis. Another important proposal for magnetic data storage is the race track memory, where the domain walls separating magnetic domains (in in-plane or out-of-plane magnetized materials) are moved by using a current. This involves a great deal of understanding of the domain wall motion in Nano-conduits under applied magnetics ends, and currents and also its interaction with engineered geometrical features. In this thesis work, magnetic led-driven domain wall pinning and deepening experiments on in-plane magnetized nanowires of perm alloy were performed to un-distend this interaction and the e act of domain wall chirality. In chapter 1, a general introduction to di errant data storage technologies and the current progress in the leg of spintronic is presented. This will highlight a perspective of this thesis work with respect to the present day research in spintronic and magnetization reversal studies. In chapter 2, a basic background of magnetism using the micromag-netic framework is illustrated. A brief introduction to magnetic domain walls is also presented. The Landau-Lifshitz-Gilbert dynamical equation is discussed and some case studies applied to a single domain particle with uniaxial anisotropy under the effect of spin-orbit torque are illu trated. The basics of spin-orbit coupling leading to spin Hall e ect is also explain In chapter 3, most of the essential experimental tools along with their basic working principles are described. Extensive e orts have been in-vested in designing and building the experimental tools. These include custom designs of a sputter deposition system, an ultra-high vacuum chamber for pulsed laser ablation, a magneto-optic Kerr e ect magne-tometer, a Kerr imaging system and a magneto-transport setup. All of these experimental setups have been automated, details of which are brie y discussed in this chapter. The Kerr imaging system was designed to measure hysteresis loops, observe domain wall motion and to measure domain wall velocity under applied magnetic elds and electric current. The magneto-transport setup was used for studying the domain wall pinning and depinning experiments in permalloy nanowires. In chapter 4, the optimization process for obtaining perpendicular mag-netic anisotropy in Pt/Co/Pt lms is described. The spin reorientation transition with varying thickness of Co (from 1.5 nm down to 0.35 nm) was studied. The magnetization easy axis direction changes from in-plane to out-of-plane as the thickness of Co is reduced. The dependence of Curie temperatures of ultrathin Co lms, with thickness as low as 0.35 nm, on the underlayer Pt thickness and its crystallinity was studied in detail. The e act of Ta but err layer on the texture of the Pt lm, and on the Curie temperature of the Pt/Co/Pt system was evaluated. To gain further insight of the role of the bottom Pt/Co and the top Co/Pt interfaces, ultrathin Cu lbs were inserted at the respective interfaces, and the anisotropy and magnetization reversal behaviour of these lbs were investigated. In chapter 5, studies on current-induced magnetization reversal in mi-corn sized wires of Pt/Co/Pt trilete is presented. The spin Hall e act assisted spin-orbit torque was used to reversibly switch the magnetization of these devices with and without the help of an external magnetic led. Since both the top and bottom layers are Pt, any contribution from Rashia e act towards spin-orbit torque could be ignored. By preparing devices with unequal top and bottom Pt thicknesses, a net spin-orbit torque could be applied to the magnetization of the Co layer. The thickness gradient/induced anisotropy in the Co layer was utilized to experimentally investigate current-induced deterministic switching. Sin-gel domain simulations with spin-orbit torque were also carried out to understand the mechanism of deterministic switching of magnetization in Pt/Co/Pt devices. This study is expected to have made sign cant contributions and to open up the possibilities of further investigation in the studies of spin-orbit torque in Pt/Co/Pt systems for solid state magnetic memory devices. In chapter 6, magnetic led-induced reversal in systems with in-plane magnetic anisotropy is presented. Here the e act of the width of a Nanos-trip on the anisotropy of a soft magnetic material like perm alloy was in-estimated. By introducing a nucleation pad to one end of the perm alloy nanowire, a single domain wall was generated at the junction with apple-cation of a proper magnetic led sequence. This domain wall could be in-jested into the nanowire by a magnetic led and pinned at a geometrical constriction inside the nanowire. The statistics of domain wall pinning and deepening processes indicated two di errant types of domain walls involved in the reversal process. With the assistance of micro magnetic simulations the domain walls were ident end as vortex walls of di errant chirality’s. Thus the interaction of domain walls with a Nano constriction and its dependence on the chirality of domain walls are understood. In chapter 7, a brief summary of the results obtained during the course of investigations is presented. An outlook presented at the end will help the readers of this thesis to understand the important research problems in this area and their potential future aspects.

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.

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.