Doctoral Thesis

Magnetic vortex based memory device

Final Thesis 7.43 MB Appendix 206.65 kB Summary of Thesis 3.57 MB

Author of thesis: Meena Dhankhar, Ph.D.

Acad. year: 2020/2021

Supervisor: Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

Reviewers: Ing. Aleš Hrabec, Ph.D., RNDr. Martin Veis, Ph. D.

Abstract:

Magnetic vortices are characterized by the sense of in-plane magnetization circulation and the polarity of the vortex core, each having two possible states. As a result, there are four possible, stable magnetization configurations that can be utilized for a multibit memory device. This thesis presents the selective writing of vortex states by electric current pulses and electric readout of the vortex states in a magnetic disk. Prior to the electric measurements, static readout of vortex states is carried out by MFM, and then by MTXM, after applying different current pulses to switch the vortex states. Later, we added all-electric static and finally dynamic readout of the vortex state.
Vortex circulation control is based on a geometrical asymmetry formed by cropping one side of the magnetic disk. The flat edge of the disk provides a preferential direction defining the sense of circulation during the nucleation process. Polarity control is generally achieved in a two-step process. Firstly, a homogeneously magnetized perpendicular magnetic anisotropy layer placed at the bottom of the disk imposes a defined vortex polarity upon nucleation of a vortex. Secondly, a fast-current pulse is used to toggle switch the vortex polarity, if needed. Hence, we are able to set the desired vortex state by sending a low amplitude nanosecond pulse that sets the circulation followed by a high amplitude picosecond pulse, which sets the polarity. The vortex states are then detected by electric spectroscopy via the anisotropic magnetoresistance effect. The samples for all the static and dynamic measurements are prepared by e-beam lithography and the lift-off technique.

Keywords:

Magnetic vortex, Magnetization dynamics, Electron-beam lithography, Magnetic microscopy, Magnetoresistance, Polarity switching, Circulation switching, Electric writing, and readout.

Date of defence

20.05.2021

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaPznamka

Process of defence

Dizertační práce doktorandky se zabývá selektivním zápisem stavů magnetického vortexu v magnetickém disku pulzem elektrického proudu stejně jako jejich následným elektrickým čtením. Před samotnou realizací elektrických měření byla provedena statická měření přepínání stavů vortexu pomocí různých proudových pulzů v kombinaci s technikami MFM a následně MTXM. Následně byl realizován dynamický odečet stavu vortexu kompletně založený na elektrických měřeních. Téma disertační práce je aktuální a vysoce technologicky zajímavé. Cíle práce byly splněny. Výsledky představují významný krok vpřed v implementaci magnetických spinových struktur do nových spintronických konceptů co může mít dopad na další vývoj v této oblasti. V průběhu obhajoby studentka Meena Dhankhar přesvědčivě prokázala své tvůrčí schopnosti v dané oblasti výzkumu. Své výsledky prezentovala v angličtině. Na dotazy oponentů a členů komise odpověděla uspokojivě a prokázala výborné znalosti zkoumaného oboru.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Advanced Materials and Nanosciences (STIPMNK)

Field of study

Advanced nanotechnologies and microtechnologies (PNTMT)

Composition of Committee

prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (předseda)
prof. Ing. Radimír Vrba, CSc. (místopředseda)
Ing. Aleš Hrabec, Ph.D. (člen)
RNDr. Martin Veis, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Michal Urbánek, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by supervisor Size
Posudek vedoucího práce [.pdf] 71,06 kB

Reviewer’s report
Ing. Aleš Hrabec, Ph.D.

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 185,35 kB

Reviewer’s report
RNDr. Martin Veis, Ph. D.

viz posudek v pdf.
File inserted by the reviewer Size
Posudek oponenta [.pdf] 108,58 kB