Authors:	Schulz, Tomek
Title:	Spin transfer torques in the heavy metal/ferromagnet/oxide hetero-structure Ta/CoFeB/MgO
Online publication date:	26-Nov-2018
Language:	german
Abstract:	Spin-orbit interaction based spin transfer torque promises ultra-efficient magnetization switching used for modern information storage devices based on emergent quasi-particles such as domain walls and skyrmions. Recently, spin structure dynamics, materials, and systems with tailored spin-orbit torques are being developed. A method, which allows to detect the acting torques in a given system as a function of the magnetization direction is the torque magnetometry method, which is based on a higher harmonics analysis of the anomalous Hall effect. So far it has not been shown that the spin-orbit torques measured with this torque magnetometry method for homogeneous spin-textures are consistent with results of effective collective torques acting on more complex spin-textures such, as domain walls and skyrmions. In this thesis, we address this issue by measuring both the torques for homogeneous spin-textures with the torque magnetometry method, as well as the effective collective torques for domain walls within domain wall depinning experiments, on the same sample. We show that the effective fields acting on magnetic domain walls that govern the efficiency of their dynamics require a sophisticated analysis taking into account the full angular dependence of the torques. Using a one-dimensional model, we compare the spin-orbit torque efficiencies by depinning measurements and spin torque magnetometry. We show that the effective fields can be accurately determined with both methods individually, but find good agreement only when first, one takes into account a geometrical conversion factor of π/2 and second, one neglects, that the measurement results for the domain wall depinning show the maximum torque efficiency in a direction not expected from the simple spin-orbit torque model. However, our method allows us now to rapidly screen materials by using the fast torque magnetometry method and to predict the resulting quasi-particle dynamics. Finally, we discuss the validity of this approach and give recommendations on how to eliminate given uncertainties. Spin-Bahn Wechselwirkung basierte Spin-Drehmoment-Übertragung verspricht höchst effiziente Schaltvorgänge der Magnetisierung für neuartige Datenspeichertechnologien zu ermöglichen, welche auf Quasiteilchen wie Domänenwänden und Skyrmionen basieren. Seit kurzem werden Spin-Strukturen, Materialien und Systeme mit maßgenschneiderten Spin-Bahn Drehmoment-Eigenschaften entwickelt. Eine effektive Methode, die es erlaubt die wirkenden Drehmomente in einem gegebenen Sy- stem als Funktion der Magnetisierungsrichtung zu messen, ist die sogenannte Drehmoment-Magnetometrie. Sie basiert auf einer Analyse der höheren Harmonischen des anormalen Hall- Effekts. Bisher konnte noch nicht gezeigt werden, dass Spin-Bahn Drehmomente für homogene Spin- Strukturen, die mit der Methode der Drehmoment-Magnetometrie gemessen wurden auch mit den Ergebnissen der effektiven kollektiven Drehmomente, welche für kompliziertere Spin-Strukturen, wie Domänenwände oder Skymionen wirken, konsistent sind. In dieser Arbeit beschäftigen wir uns mit dieser Frage und messen beide Größen an derselben Probe. Die Drehmomente für homogene Spin-Strukturen, gemessen mit der Drehmoment- Magnetometrie und die effektiven kollektiven Drehmomente für Domänenwände gemessen mit Hilfe von Domänenwand-Depinning Experimenten an einem Hall-Kreuz. Wir zeigen, dass die effektiven Felder, welche auf die Domänenwände wirken und die Effizienz der Domänenwanddynamik bestimmen, eine winkelabhängige Betrachtung der Drehmomente benötigen. Um die Spin-Bahn Drehmoment-Effizienzen von den Domänenwand-Depinning Messungen mit den Spin-Bahn Drehmomenten der Magnetometrie Messungen zu vergleichen, benutzen wir ein eindimensionales Model für die Domänenwand. Wir können zeigen, dass die effektiven Felder zwar einzeln genau bestimmt werden können, eine gute Übereinstimmung allerdings nur gegeben ist, wenn man zum einen einen geometrischen Übersetzungs-Faktor von π/2 berücksichtigt und wir zusätzlich vernachlässigen, dass die maximale Drehmoment-Effizienz bei unseren Domänenwand-Depinning Messungen eine unerwartet gedrehte Richtungsabhängigkeit aufweist, die sich so nicht aus dem einfachen Spin-Bahn Wechselwirkung basierten Drehmoment-Übertrags-Modell ergeben würde. Nichtsdestotrotz erlaubt uns unsere Methode in Zukunft Materialien schneller mit Hilfe der Drehmoment Magnetometrie zu vermessen und so die Quasi-Teilchen-Dynamik vorhersagen zu können, wenn auch bisher nur mit den genannten Einschränkungen. Zuletzt geben wir noch Handlungsempfehlungen, wie man die Unsicherheit über die Gültigkeit unseres Ansatzes in zukünftigen Domänenwand Depinning Messungen beseitigen könnte.
DDC:	530 Physik 530 Physics
Institution:	Johannes Gutenberg-Universität Mainz
Department:	FB 08 Physik, Mathematik u. Informatik
Place:	Mainz
ROR:	https://ror.org/023b0x485
DOI:	http://doi.org/10.25358/openscience-1204
URN:	urn:nbn:de:hebis:77-diss-1000023927
Version:	Original work
Publication type:	Dissertation
License:	In Copyright
Information on rights of use:	https://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/
Extent:	X, 106 Seiten
Appears in collections:	JGU-Publikationen