Magnetization dynamics in nanostructures

Abstract

Summary of thesis:

Understanding the properties of magnetic structures when confined to nanoscale dimensions is of both fundamental interest, as well as of importance for the development of modern electronics technology. With the ever increasing demand for downsizing devices, understanding how the magnetic properties might change when confined to the nanoscale is of great importance. At the same time, the desire for faster operation of devices also decreases the relevant timescales of the system. Thus, a fundamental understanding of the magnetodynamic properties of nanostructures is crucial.

In this thesis I have investigated the magnetodynamic properties of various systems, ranging from thin films to that of confined magnetic elements with lateral dimensions on the nanometer scale. One of the key experimental techniques utilized is that of ferromagnetic resonance (FMR) spectroscopy, which forms the experimental basis of this thesis. The investigations have been performed through a combination of FMR spectroscopy, numerical simulations as well as simplified analytical models.

A common theme in several of the papers of the thesis is the role of ”effective magnetic fields”, and how this determines the magnetization dynamics. This being in the form of additional Oersted fields due to induced microwave eddy currents (papers II and III), ”anisotropy fields” from magnetocrystalline and shape anisotropies (paper IV) and the magnetic dipolar coupling in arrays of spin-torque oscillators (paper V).

Sammendrag:

Datamaskiner har blitt stadig raskere, men vi begynner å nærme oss grensen for hvor langt man kan presse dagens teknologi. Den stadige krympingen av elektroniske komponenter fører til flere problemer, som blant annet massiv varmeutvikling, og dette setter grenser for hvor mye man kan krympe komponentene. En mulighet er da å benytte seg av andre måter å implementere logikk og databehandling. I denne sammenhengen, er bruk av nanoskala magnetiske komponenter en mulig løsning. Forskning på magnetisme har lagt grunnlaget for den moderne IT revolusjonen, og å forstå egenskapene til magnetiske systemer er av både fundamental interesse, samt viktig for utviklingen av fremtidens elektronikk.

Hovedmotivasjonen bak doktorgradsarbeidet mitt har vært å undersøke de fundamentale egenskapene til ulike magnetiske systemer. Med det evige målet om å krympe elektroniske komponenter, blir det å forstå hvordan de magnetiske egenskapene endres når størrelsen nærmer seg nanoskala viktig, og vil legge grunnlaget for eventuelle fremtidige anvendelser.

Et interessant anvendelsesområde for magnetisme som det for tiden forskes på, er bio-inspirert databehandling. Her ser forskerne til naturen for inspirasjon i utviklingen av bio-inspirerte databrikker, basert på arkitektur man finner i naturen. Hjernen, og biologiske systemer generelt, kan utføre beregninger mye mer effektivt enn datamaskiner, og de gjør det raskt og med svært lavt energiforbruk. Nye fremskritt innen nanoteknologi og materialvitenskap gjør det endelig mulig å se for seg at vi kan designe og bygge nettverk basert på multifunksjonell nanoteknologi som nærmer seg kompleksiteten i biologiske systemer.

For å kunne nå dette målet, er det å finne egnede elementære byggesteiner viktig. I denne sammenhengen er nanoskala magneter en av de mest lovende kandidatene for å skape kunstige nevrale nettverk, som baserer seg på å etterligne nevronenes aktivitet. Fortsatt er det mange problemer å overvinne og problemer å løse, og bare fortsatt hardt arbeid de neste årene vil vise om slike enheter blir en realitet i fremtiden. I mellomtiden er vi bare glade for å kunne bidra med vår lille bit av puslespillet.