Current-induced motion of magnetic domain walls in cylindrical nanowires with chemical modulations

Abstract

Cylindrical magnetic nanowires are a prototypical system for exploring the physics of three- dimensional magnetization dynamics, and are also proposed as building blocks for three- dimensional storage devices. Among other curvature-induced effects, they can host a unique type of magnetic domain wall (DW) known as Bloch-Point-Wall (BPW), whose topology allows for ultra-fast DW motion, thanks to largely delaying the Walker instability threshold. Recent pioneering work in the host group has shown experimental BPW motion under spin-transfer- torque with velocities of several hundred of m/s, but with stochastic pinning. To achieve a better control of DW motion, this thesis investigates engineered nanowires, composed of Permalloy segments separated by magnetic chemical modulations as controlled pinning sites. Individual nanowires were electrically contacted to enable the injection of electrical pulses in the nanosecond range. X-ray magnetic imaging allowed the three-dimensional magnetic characterization, combined with micromagnetic simulations. This provided a comprehensive picture of curling magnetization at the chemical modulation location, and its coupling to the BPW azimuthal magnetization. Both can be addressed by the Rrsted field associated with an electric current. We have found that depending on its amplitude and duration, it can cause circulation switching, DW transformations or long-distance motion. We have identified the underlying mechanism of these phenomena, which relies on the interplay between volume topological objects (Bloch points) and surface objects (vortex-antivortex pairs). Finally, ultra- fast DW motion above 1 km/s from one modulation site to the next was achieved, driven by the combined effects of STT, Rrsted field and Joule heating, which cannot be disentangled experimentally. Los nanohilos magnéticos cilíndricos son un sistema prototípico para explorar la física de la dinámica de la imanación tridimensional, y también se proponen como unidades básicas para dispositivos de memorias magnéticas tridimensionales. Entre otros efectos inducidos por la curvatura, destaca la estabilidad de un tipo único de pared de dominio magnético conocida como Bloch-Point-Wall (BPW), cuya topología permite un movimiento ultrarrápido, gracias a que retrasa en gran medida el umbral de inestabilidad de Walker. Recientes trabajos pioneros del grupo anfitrión han demostrado el movimiento experimental de la BPW bajo torques por transferencia de espín con velocidades de varios cientos de m/s, pero con anclaje estocástico. Para lograr un mejor control del movimiento de la pared magnética, esta tesis investiga nanohilos modulados en composición, basados en segmentos de Permalloy separados por modulaciones químicas magnéticas como sitios de anclaje controlados. Los nanohilos individuales se contactaron eléctricamente para permitir la inyección de pulsos eléctricos en el rango de los nanosegundos. Las imágenes magnéticas de rayos-X permitieron la caracterización magnética tridimensional, combinada con simulaciones micromagnéticas. Esto proporcionó una imagen completa de la imanación azimutal en la modulación química, y su acoplamiento a la imanación azimutal de la BPW. Ambos pueden abordarse mediante el campo Rrsted asociado a una corriente eléctrica. Hemos encontrado que la pared, dependiendo de la amplitud y duración del pulso, puede cambiar de circulación, transformarse o moverse una larga distancia. Hemos identificado el mecanismo subyacente de estos fenómenos, que se basa en la interacción entre objetos topológicos de volumen (puntos de Bloch) y objetos de superficie (pares vórtice-antivórtice). Por último, se ha logrado un movimiento ultrarrápido de la pared magnética de una modulación química a la siguiente, con velocidades superiores a 1 km/s. Este movimiento es impulsado por torques de transferencia de espín, el campo de Rrsted y el calentamiento Joule, los cuales no pueden separar experimentalmente.