Papers
Topics
Authors
Recent
Search
2000 character limit reached

Steerable current-driven emission of spin waves in magnetic vortex pairs

Published 24 Feb 2024 in cond-mat.mes-hall and physics.comp-ph | (2402.15831v1)

Abstract: The efficient excitation of spin waves is a key challenge in the realization of magnonic devices. We demonstrate the current-driven generation of spin waves in antiferromagnetically coupled magnetic vortices. We employ time-resolved scanning transmission X-ray microscopy (TR-STXM) to directly image the emission of spin waves upon the application of an alternating current flowing directly through the magnetic stack. Micromagnetic simulations allow us to identify the origin of the excitation to be the current-driven Oersted field, which in the present system proves to be orders of magnitude more efficient than the commonly used excitation via stripline antennas. Our numerical studies also reveal that the spin-transfer torque can lead to the emission of spin waves as well, yet only at much higher current amplitudes. By using magnetostrictive materials, we futhermore demonstrate that the direction of the magnon propagation can be steered by increasing the excitation amplitude, which modifies the underlying magnetization profile through an additional anisotropy in the magnetic layers. The demonstrated methods allow for the efficient and tunable excitation of spin waves, marking a significant advance in the generation and control of spin waves in magnonic devices.

Definition Search Book Streamline Icon: https://streamlinehq.com
References (59)
  1. B. Doyle, S. Datta, M. Doczy, S. Hareland, B. Jin, J. Kavalieros, T. Linton, A. Murthy, R. Rios, and R. Chau, “High performance fully-depleted tri-gate cmos transistors,” IEEE Electron Device Letters 24, 263–265 (2003).
  2. S. Manipatruni, D. E. Nikonov, and I. A. Young, “Beyond cmos computing with spin and polarization,” Nature Physics 14, 338–343 (2018).
  3. A. P. Jacob, R. Xie, M. G. Sung, L. Liebmann, R. T. Lee, and B. Taylor, “Scaling challenges for advanced cmos devices,” International Journal of High Speed Electronics and Systems 26, 1740001 (2017).
  4. V. V. Kruglyak, S. O. Demokritov, and D. Grundler, “Magnonics,” Journal of Physics D: Applied Physics 43, 260301 (2010).
  5. A. V. Chumak, V. I. Vasyuchka, A. A. Serga, and B. Hillebrands, “Magnon spintronics,” Nature physics 11, 453–461 (2015).
  6. F. Bloch, ‘‘Zur theorie des ferromagnetismus,” Zeitschrift fuer Physik 61, 206–219 (1930).
  7. A. Serga, A. Chumak, and B. Hillebrands, “Yig magnonics,” Journal of Physics D: Applied Physics 43, 264002 (2010).
  8. M. Krawczyk and D. Grundler, “Review and prospects of magnonic crystals and devices with reprogrammable band structure,” J. Phys. Condens. Matter 26, 123202 (2014).
  9. Q. Wang, M. Kewenig, M. Schneider, R. Verba, F. Kohl, B. Heinz, M. Geilen, M. Mohseni, B. Lägel, F. Ciubotaru, et al., “A magnonic directional coupler for integrated magnonic half-adders,” Nature Electronics 3, 765–774 (2020a).
  10. A. V. Chumak, A. A. Serga, and B. Hillebrands, “Magnon transistor for all-magnon data processing,” Nature communications 5, 4700 (2014).
  11. Q. Wang, A. Hamadeh, R. Verba, V. Lomakin, M. Mohseni, B. Hillebrands, A. V. Chumak, and P. Pirro, “A nonlinear magnonic nano-ring resonator,” npj Computational Materials 6, 192 (2020b).
  12. K. Baumgaertl and D. Grundler, “Reversal of nanomagnets by propagating magnons in ferrimagnetic yttrium iron garnet enabling nonvolatile magnon memory,” Nature Communications 14, 1490 (2023).
  13. A. Khitun, M. Bao, and K. L. Wang, “Magnonic logic circuits,” Journal of Physics D: Applied Physics 43, 264005 (2010).
  14. M. Gattringer, C. Abert, Q. Wang, A. Chumak, and D. Suess, “Offset-free magnetic field sensor based on a standing spin wave,” Phys. Rev. Appl. 20, 044083 (2023).
  15. T. Fischer, M. Kewenig, D. Bozhko, A. Serga, I. Syvorotka, F. Ciubotaru, C. Adelmann, B. Hillebrands, and A. Chumak, “Experimental prototype of a spin-wave majority gate,” Applied Physics Letters 110 (2017).
  16. A. B. Ustinov, A. V. Drozdovskii, and B. A. Kalinikos, “Multifunctional nonlinear magnonic devices for microwave signal processing,” Applied physics letters 96 (2010).
  17. Q. Wang, A. V. Chumak, and P. Pirro, “Inverse-design magnonic devices,” Nat Commun 12, 2636 (2021).
  18. Á. Papp, W. Porod, and G. Csaba, “Nanoscale neural network using non-linear spin-wave interference,” Nature communications 12, 6422 (2021).
  19. A. V. Chumak, P. Kabos, M. Wu, C. Abert, C. Adelmann, A. O. Adeyeye, J. Åkerman, F. G. Aliev, A. Anane, A. Awad, C. H. Back, A. Barman, G. E. W. Bauer, M. Becherer, E. N. Beginin, V. A. S. V. Bittencourt, Y. M. Blanter, P. Bortolotti, I. Boventer, D. A. Bozhko, S. A. Bunyaev, J. J. Carmiggelt, R. R. Cheenikundil, F. Ciubotaru, S. Cotofana, G. Csaba, O. V. Dobrovolskiy, C. Dubs, M. Elyasi, K. G. Fripp, H. Fulara, I. A. Golovchanskiy, C. Gonzalez-Ballestero, P. Graczyk, D. Grundler, P. Gruszecki, G. Gubbiotti, K. Guslienko, A. Haldar, S. Hamdioui, R. Hertel, B. Hillebrands, T. Hioki, A. Houshang, C.-M. Hu, H. Huebl, M. Huth, E. Iacocca, M. B. Jungfleisch, G. N. Kakazei, A. Khitun, R. Khymyn, T. Kikkawa, M. Kläui, O. Klein, J. W. Kłos, S. Knauer, S. Koraltan, M. Kostylev, M. Krawczyk, I. N. Krivorotov, V. V. Kruglyak, D. Lachance-Quirion, S. Ladak, R. Lebrun, Y. Li, M. Lindner, R. Macêdo, S. Mayr, G. A. Melkov, S. Mieszczak, Y. Nakamura, H. T. Nembach, A. A. Nikitin, S. A. Nikitov, V. Novosad, J. A. Otálora, Y. Otani, A. Papp, B. Pigeau, P. Pirro, W. Porod, F. Porrati, H. Qin, B. Rana, T. Reimann, F. Riente, O. Romero-Isart, A. Ross, A. V. Sadovnikov, A. R. Safin, E. Saitoh, G. Schmidt, H. Schultheiss, K. Schultheiss, A. A. Serga, S. Sharma, J. M. Shaw, D. Suess, O. Surzhenko, K. Szulc, T. Taniguchi, M. Urbánek, K. Usami, A. B. Ustinov, T. van der Sar, S. van Dijken, V. I. Vasyuchka, R. Verba, S. V. Kusminskiy, Q. Wang, M. Weides, M. Weiler, S. Wintz, S. P. Wolski, and X. Zhang, “Advances in Magnetics Roadmap on Spin-Wave Computing,” IEEE Transactions on Magnetics 58, 1–72 (2022), conference Name: IEEE Transactions on Magnetics.
  20. A. Barman, G. Gubbiotti, S. Ladak, A. O. Adeyeye, M. Krawczyk, J. Gräfe, C. Adelmann, S. Cotofana, A. Naeemi, V. I. Vasyuchka, et al., “The 2021 magnonics roadmap,” Journal of Physics: Condensed Matter 33, 413001 (2021).
  21. K. Mori, T. Goto, T. Watanabe, T. Koguchi, Y. Nakamura, P. B. Lim, A. B. Ustinov, and M. Inoue, “Broadband excitation of spin wave using microstrip line antennas for integrated magnonic devices,” Journal of Physics D: Applied Physics 55, 115002 (2021).
  22. E. Schlömann, “Generation of spin waves in nonuniform magnetic fields. i. conversion of electromagnetic power into spin-wave power and vice versa,” Journal of Applied Physics 35, 159–166 (1964).
  23. Y. Au, E. Ahmad, O. Dmytriiev, M. Dvornik, T. Davison, and V. V. Kruglyak, “Resonant microwave-to-spin-wave transducer,” Applied Physics Letters 100 (2012), 10.1063/1.4711039.
  24. H. Yu, G. Duerr, R. Huber, M. Bahr, T. Schwarze, F. Brandl, and D. Grundler, “Omnidirectional spin-wave nanograting coupler,” Nature Communications 4 (2013), 10.1038/ncomms3702.
  25. S. Wintz, V. Tiberkevich, M. Weigand, J. Raabe, J. Lindner, A. Erbe, A. Slavin, and J. Fassbender, “Magnetic vortex cores as tunable spin-wave emitters,” Nature nanotechnology 11, 948–953 (2016).
  26. C. Behncke, C. F. Adolff, N. Lenzing, M. Hänze, B. Schulte, M. Weigand, G. Schütz, and G. Meier, “Spin-wave interference in magnetic vortex stacks,” Communications Physics 1 (2018), 10.1038/s42005-018-0052-1.
  27. G. Dieterle, J. Förster, H. Stoll, A. Semisalova, S. Finizio, A. Gangwar, M. Weigand, M. Noske, M. Fähnle, I. Bykova, J. Gräfe, D. Bozhko, H. Musiienko-Shmarova, V. Tiberkevich, A. Slavin, C. Back, J. Raabe, G. Schütz, and S. Wintz, “Coherent excitation of heterosymmetric spin waves with ultrashort wavelengths,” Physical Review Letters 122 (2019), 10.1103/physrevlett.122.117202.
  28. L.-J. Chang, J. Chen, D. Qu, L.-Z. Tsai, Y.-F. Liu, M.-Y. Kao, J.-Z. Liang, T.-S. Wu, T.-M. Chuang, H. Yu, and S.-F. Lee, “Spin wave injection and propagation in a magnetic nanochannel from a vortex core,” Nano Letters 20, 3140–3146 (2020).
  29. S. Mayr, L. Flajšman, S. Finizio, A. Hrabec, M. Weigand, J. Förster, H. Stoll, L. J. Heyderman, M. Urbánek, S. Wintz, and J. Raabe, “Spin-wave emission from vortex cores under static magnetic bias fields,” Nano Letters 21, 1584–1590 (2021).
  30. D. Osuna Ruiz, E. L. Martin, A. P. Hibbins, and F. Y. Ogrin, “Unidirectional emission and reconfigurability of channeled spin waves from a vortex core in a teardrop-shaped nanopatch,” Physical Review B 104 (2021), 10.1103/physrevb.104.094427.
  31. M. Mruczkiewicz, M. Krawczyk, and K. Guslienko, “Spin excitation spectrum in a magnetic nanodot with continuous transitions between the vortex, bloch-type skyrmion, and néel-type skyrmion states,” Phys. Rev. B 95, 094414 (2017).
  32. J. Chen, J. Hu, and H. Yu, “Chiral emission of exchange spin waves by magnetic skyrmions,” ACS nano 15, 4372–4379 (2021).
  33. T. Srivastava, Y. Sassi, F. Ajejas, A. Vecchiola, I. Ngouagnia Yemeli, H. Hurdequint, K. Bouzehouane, N. Reyren, V. Cros, T. Devolder, et al., “Resonant dynamics of three-dimensional skyrmionic textures in thin film multilayers,” APL Materials 11 (2023).
  34. T. Titze, S. Koraltan, T. Schmidt, M. Möller, F. Bruckner, C. Abert, D. Suess, C. Ropers, D. Steil, M. Albrecht, et al., “Laser-induced real-space topology control of spin wave resonances,” arXiv preprint arXiv:2309.12956  (2023).
  35. S. J. Hermsdoerfer, H. Schultheiss, C. Rausch, S. Schäfer, B. Leven, S.-K. Kim, and B. Hillebrands, “A spin-wave frequency doubler by domain wall oscillation,” Applied Physics Letters 94 (2009), 10.1063/1.3143225.
  36. N. J. Whitehead, S. A. R. Horsley, T. G. Philbin, A. N. Kuchko, and V. V. Kruglyak, “Theory of linear spin wave emission from a bloch domain wall,” Physical Review B 96 (2017), 10.1103/physrevb.96.064415.
  37. R. B. Holländer, C. Müller, J. Schmalz, M. Gerken, and J. McCord, “Magnetic domain walls as broadband spin wave and elastic magnetisation wave emitters,” Scientific Reports 8 (2018), 10.1038/s41598-018-31689-8.
  38. B. Van de Wiele, S. J. Hämäläinen, P. Baláž, F. Montoncello, and S. van Dijken, “Tunable short-wavelength spin wave excitation from pinned magnetic domain walls,” Scientific Reports 6 (2016), 10.1038/srep21330.
  39. K. Wagner, A. Kákay, K. Schultheiss, A. Henschke, T. Sebastian, and H. Schultheiss, “Magnetic domain walls as reconfigurable spin-wave nanochannels,” Nature nanotechnology 11, 432–436 (2016).
  40. Y. Henry, D. Stoeffler, J.-V. Kim, and M. Bailleul, “Unidirectional spin-wave channeling along magnetic domain walls of bloch type,” Physical Review B 100, 024416 (2019).
  41. P. Che, A. Deenen, A. Mucchietto, J. Grafe, M. Heigl, K. Baumgaertl, M. Weigand, M. Bechtel, S. Koraltan, G. Schutz, et al., “Nonreciprocal spin waves in nanoscale domain walls detected by scanning x-ray microscopy in perpendicular magnetic anisotropic fe/gd multilayers,” arXiv preprint arXiv:2311.06186  (2023).
  42. V. Sluka, T. Schneider, R. A. Gallardo, A. Kákay, M. Weigand, T. Warnatz, R. Mattheis, A. Roldán-Molina, P. Landeros, V. Tiberkevich, et al., “Emission and propagation of 1d and 2d spin waves with nanoscale wavelengths in anisotropic spin textures,” Nature nanotechnology 14, 328–333 (2019).
  43. P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. B. Brodsky, and H. Sowers, “Layered magnetic structures: Evidence for antiferromagnetic coupling of fe layers across cr interlayers,” Physical Review Letters 57, 2442–2445 (1986).
  44. P. Grünberg, “Magnetostatic spin-wave modes of a heterogeneous ferromagnetic double layer,” Journal of Applied Physics 52, 6824–6829 (1981).
  45. E. Albisetti, S. Tacchi, R. Silvani, G. Scaramuzzi, S. Finizio, S. Wintz, C. Rinaldi, M. Cantoni, J. Raabe, G. Carlotti, R. Bertacco, E. Riedo, and D. Petti, “Optically inspired nanomagnonics with nonreciprocal spin waves in synthetic antiferromagnets,” Advanced Materials 32 (2020), 10.1002/adma.201906439.
  46. M. Bolte, G. Meier, B. Krüger, A. Drews, R. Eiselt, L. Bocklage, S. Bohlens, T. Tyliszczak, A. Vansteenkiste, B. Van Waeyenberge, K. W. Chou, A. Puzic, and H. Stoll, “Time-resolved x-ray microscopy of spin-torque-induced magnetic vortex gyration,” Physical Review Letters 100 (2008), 10.1103/physrevlett.100.176601.
  47. N. Locatelli, V. V. Naletov, J. Grollier, G. de Loubens, V. Cros, C. Deranlot, C. Ulysse, G. Faini, O. Klein, and A. Fert, “Dynamics of two coupled vortices in a spin valve nanopillar excited by spin transfer torque,” Applied Physics Letters 98 (2011), 10.1063/1.3553771.
  48. K. Litzius, I. Lemesh, B. Krüger, P. Bassirian, L. Caretta, K. Richter, F. Büttner, K. Sato, O. A. Tretiakov, J. Förster, R. M. Reeve, M. Weigand, I. Bykova, H. Stoll, G. Schütz, G. S. D. Beach, and M. Kläui, “Skyrmion hall effect revealed by direct time-resolved x-ray microscopy,” Nature Physics 13, 170–175 (2016).
  49. G. Schütz, W. Wagner, W. Wilhelm, P. Kienle, R. Zeller, R. Frahm, and G. Materlik, “Absorption of circularly polarized x rays in iron,” Physical review letters 58, 737 (1987).
  50. M. Weigand, S. Wintz, J. Gräfe, M. Noske, H. Stoll, B. Van Waeyenberge, and G. Schütz, “Timemaxyne: A shot-noise limited, time-resolved pump-and-probe acquisition system capable of 50 ghz frequencies for synchrotron-based x-ray microscopy,” Crystals 12, 1029 (2022).
  51. F. Bruckner, S. Koraltan, C. Abert, and D. Suess, “magnum.np: a pytorch based gpu enhanced finite difference micromagnetic simulation framework for high level development and inverse design,” Scientific Reports 13, 12054 (2023).
  52. L. Berger, “Emission of spin waves by a magnetic multilayer traversed by a current,” Physical Review B 54, 9353–9358 (1996).
  53. J. Slonczewski, “Current-driven excitation of magnetic multilayers,” Journal of Magnetism and Magnetic Materials 159, L1–L7 (1996).
  54. C. Abert, “Micromagnetics and spintronics: models and numerical methods,” The European Physical Journal B 92, 1–45 (2019).
  55. J. Joule, “Xvii. on the effects of magnetism upon the dimensions of iron and steel bars,” The London, Edinburgh, and Dublin Philosophical Magazine and Journal of Science 30, 76–87 (1847).
  56. E. W. Lee, “Magnetostriction and magnetomechanical effects,” Reports on Progress in Physics 18, 184–229 (1955).
  57. D. Wang, C. Nordman, Z. Qian, J. M. Daughton, and J. Myers, “Magnetostriction effect of amorphous cofeb thin films and application in spin-dependent tunnel junctions,” Journal of Applied Physics 97 (2005), 10.1063/1.1848355.
  58. S. Finizio, S. Wintz, S. Gliga, E. Kirk, A. K. Suszka, P. Wohlhüter, K. Zeissler, and J. Raabe, “Unexpected field-induced dynamics in magnetostrictive microstructured elements under isotropic strain,” Journal of Physics: Condensed Matter 30, 314001 (2018).
  59. L. W. McKeehan and P. P. Cioffi, “Magnetostriction in permalloy,” Physical Review 28, 146–157 (1926).
Citations (1)
View on Semantic Scholar

Summary

No one has generated a summary of this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up to Summarize

Whiteboard

No one has generated a whiteboard explanation for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up to Generate

Open Problems

We haven't generated a list of open problems mentioned in this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now

Continue Learning

We haven't generated follow-up questions for this paper yet.

Ai Sparkles Streamline Icon: https://streamlinehq.com Generate Now

Collections

Sign up for free to add this paper to one or more collections.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up

Tweets

Sign up for free to view the 1 tweet with 1 like about this paper.

User Circle Single Streamline Icon: https://streamlinehq.com Sign Up for Free