Title (eng): Simulation of Magnetic Vortex Core Oscillations in Nanocontact Spin Valve Stacks

Author: Hahn, D. (David)

Description (deu): St. Pölten, FH-Stg. Industrial Simulation, Master Thesis, 2012

Description (deu): In dieser Arbeit wird ein, auf der Thiele-Gleichung basierendes, rigid-vortex Modell mit finite-element Simulationen kombiniert, um die Oszillationsfrequenzen und Umlaufbahnen von magnetischen Wirbeln um Nanokontakte zu bestimmen. Verschiedene geometrische Anordnungen der Nanokontakte, sowie der Masse-Elektroden werden behandelt. Einflüsse von unterschiedlichen elektrischen Leitfähigkeiten in der Deckschicht werden ebenfalls berechnet. Numerische Methoden, wie numerische Integration, Nullstellensuche und Fehlerkontrolle, werden verwendet, um stabile, planare Orbits des Vortex-Kerns zu bestimmen. Gyrovektor und Dämpfungstensor werden aus analytischen Näherungen bestimmt, während für die Zeeman Energie und die Stromdichte teilweise Ergebnisse aus finite-element Simulationen verwendet werden. Die Kombination des rigid-vortex Ansatzes und der Methode der finiten Elemente ist flexibler als bekannte analytische Lösungen der Thiele-Gleichung und erlaubt die Berechnung von unterschiedlichen Nanokontakt-Setups. Außerdem benötigt dieser Hybrid-Ansatz weniger Rechnerleistung als reine finite-element Lösungen. Aus diesen Berechnungen geht hervor, dass die Geschwindigkeit, und die Form der Umlaufbahn des Vortex-Kerns stark von der Zeeman Energie abhängen, während die Position von stabilen Umlaufbahnen hauptsächlich von der spin-transfer Kraft beeinflusst wird. Daher kann die Oszillationsfrequenz durch verändern der Stromdichte-Verteilung (z.B. durch eine Deckschicht mit hoher Leitfähigkeit) manipuliert werden. Die präsentierten Ergebnisse, die für verschiedene Nanokontakt-Geometrien errechnet wurden, weisen ausreichende Übereinstimmung mit experimentellen Daten auf.

Description (eng): In this work, a rigid vortex model, based on Thiele‟s equation, combined with finite element analysis, is used to study gyration frequencies and trajectories of magnetic vortices in nanocontact spin valve stacks. Various spin valve geometries are studied, such as one or two point contacts, different electrical conductivities in the top layer, and placement of ground electrodes either at the bottom or on opposite sides of the multilayer. Numerical integration, root-finding iteration and error detection methods are applied to find stable, in-plane orbits of the vortex core. Approximations based on a rigid vortex model are used to calculate the gyrovector and the damping dyadic, while the Zeeman energy and the current density distribution can be computed by finite element analysis. Combining the ordinary differential equation approach of the rigid vortex model with the finite element approach of micromagnetics provides more flexibility than analytical solutions of Thiele‟s equation, in terms of dealing with various spin valve geometries. This combined approach is also more efficient, in terms of computational resources, than using micromagnetic simulations only. It is found that the velocity of the vortex core, as well as the shape of stable trajectories, depend strongly on the restoring potential, while the size of stable trajectories depends mostly on the spin-transfer torque. Therefore it is possible to control the gyration frequency (angular velocity) of the vortex core by modifying the current density profile, which can be achieved by a highly conductive layer on top of the magnetically free layer in the spin valve stack. The results presented for selected spin valve geometries show reasonable agreement with experimental data.

Object languages: English

Date: 2012

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Classification: Wirbel Physik ; Simulation ; Finite-Elemente-Methode

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