Epäjärjestyksen vaikutus dynaamiseen hystereesiin Permalloy-ohutkalvoissa

Abstract

Dynaamisessa hystereesissä ferromagneettisen kappaleen vaste ulkoisen magneettikentän muutoksiin tapahtuu viiveellä. Tämän kandidaatintyön tarkoituksena on tutkia kappaleen rakenteellisen epäjärjestyksen vaikutusta dynaamiseen hystereesiin. Tämä tehtiin tarkastelemalla 10 nm paksuisessa permalloy-ohutkalvossa tapahtuvan hystereesin käyttäytymistä ulkoisen kentän taajuuden ja amplitudin suhteen eri epäjärjestyksen määrillä.

Tutkimusta tehtiin käyttämällä numeerisia mikromagneettisia simulaatioita. Simulaatio ohjelmana oli GPU-pohjainen MuMax3, joka ratkaisee numeerisesti Landau–Lifshitz–Gilbert-yhtälöä. Jokaisessa simulaatiossa ohutkalvon magnetoituma alustettiin vorteksiksi, minkä jälkeen siihen kohdistettiin kalvon pinnan suunnassa muuttuva sinimuotoinen kenttä. Kentän amplitudia muutettiin välillä 1–9 mT ja taajuutta välillä 0,009–4 GHz. Simulaatioita ajettiin, kunnes hystereesisilmukka oli stabiili. Tämän silmukan pinta-alaa piirrettiin tämän jälkeen kentän amplitudin ja taajuuden funktioina. Myös silmukan muotoa tarkasteltiin.

Tässä työssä käytetyllä parametrialueella silmukan muoto muuttui epäjärjestyksen vaikutuksesta vaihtelevasti. 1 GHz:n kokoluokassa silmukka siirtyi järjestyneeseen nähden, kun taas pienemmillä taajuuksilla silmukka alkoi aaltoilemaan. Amplitudin muuttaminen vaikutti silmukan muotoon sekä muutti sitä, millä epäjärjestyksen määrällä saatiin stabiilein silmukka.

Myös epäjärjestyksen vaikutus hystereesisilmukan pinta-alaan oli vaihtelevaa. Niin amplitudiriippuvuus kuin taajuusriippuvuus noudattivat näillä parametreilla potenssilakia. Amplitudiriippuvuudelle eksponentit olivat 0,8–1,6 ja taajuusriippuvuudelle 0,4–1,6. Molemmissa tapauksissa epäjärjestys kasvatti silmukan pinta-alaa. Vaikutus eksponentteihin oli amplitudin tapauksessa kuitenkin vaihtelevaa, kun taas taajuusriippuvuudessa epäjärjestys laski potenssilakieksponentteja.