Magnetization dynamics of non-trivial spin textures in three-dimensional magnetic nano double helices

Abstract

Dreidimensionale (3D) ferromagnetische Nanostrukturen eröffnen Möglichkeiten, die über planare Systeme hinausgehen, indem sie neuartige magnetische Texturen und krümmungsinduzierte Effekte ermöglichen, die direkt aus ihrer Geometrie resultieren. Simulationen prognostizieren in diesen Systemen ein breites Spektrum statischer und dynamischer Eigenschaften. Während viele statische magnetische Konfigurationen bereits experimentell bestätigt wurden, bleiben ihre dynamischen Eigenschaften weitgehend unerforscht. Zu den vorhergesagten Phänomenen zählen lokalisierte Resonanzmoden, nichtreziproke Dynamik, ultraschneller Transport magnetischer Texturen sowie neuartige Spinwellen-Effekte. Die meisten veröffentlichten Arbeiten konzentrierten sich bisher jedoch vor allem auf die Charakterisierung relativ einfacher Geometrien im Frequenzbereich, da die Untersuchung komplexerer Systeme durch Herausforderungen in fortschrittlicher Nanofabrikation und hochauflösender, zeitaufgelöster Magnetbildgebung im Realraum bisher nur eingeschränkt möglich war. In dieser Dissertation wird die Magnetisierungsdynamik vollständig freitragender Kobalt-Nano-Doppelhelices mittels direkter Nanofabrikation, laborbasierter magnetischer Mikroskopie und zeitaufgelöster Röntgenbildgebung untersucht. Diese Strukturen stabilisieren stark gekoppelte transversale Domänenwandpaare, die komplexe dreidimensionale magnetische Texturen erzeugen. Ihre statische Reaktion auf äußere Magnetfelder wird analysiert, um die Stabilität des Domänenwandzustands und die Voraussetzungen für dynamische Experimente zu ermitteln. Mittels Magnetkraftmikroskopie und Magnetometrie von Stickstoff-Fehlstellen-Zentren werden die statischen magnetischen Eigenschaften un-tersucht und die Eignung laborbasierter Methoden für vollständig dreidimensionale Nanomagnete demonstriert. Aufbauend auf dieser Charakterisierung wird die feldgetriebene, oszillierende Dynamik des gekoppelten Domänenwandzustands mittels zeitaufgelöster Rastertransmissions Röntgenmikroskopie untersucht. Die Messungen liefern die erste direkte Beobachtung von Magnetisierungsdynamik in komplexen 3D-Nanostrukturen und zeigen ein multiresonantes Verhalten. Mikromagnetische Simulationen führen die beobachteten Resonanzen auf eine starke magnetostatische Kopplung zwischen den Domänenwänden zurück und sagen zusätzliche Moden bei höheren Frequenzen voraus. Darüber hinaus können die Resonanzfrequenzen über geometrische Parameter eingestellt werden, die durch fokussierte elektronenstrahlinduzierte Deposition zugänglich sind, wodurch ein alternativer Ansatz zur Frequenzanpassung in magnetischen Nanoresonatoren ermöglicht wird. Als zweites dynamisches Phänomen wird der Transport von Domänenwänden unter rotierenden Magnetfeldern untersucht. Hierfür wurde ein röntgentransparenter Magnetfeldrotator entwickelt, um rotierende Magnetfelder für die zeitaufgelöste Röntgenmikroskopie im MHz-Bereich zu erzeugen. Die zeitaufgelöste Bildgebung zeigt eine lokalisierte oszillatorische Bewegung des gekoppelten Domänenwandpaares anstelle einer vollständigen Ausbreitung durch die Struktur. Dieses Verhalten lässt sich durch mikromagnetische Simulationen reproduzieren, die zeigen, dass bei experimentell erreichbaren Feldamplituden die Domänenwände oszillieren, wenn die Feldrotation mit der strukturellen Chiralität der Doppelhelix übereinstimmt, während größere Felder erforderlich sind, um eine Ausbreitung durch die Struktur zu ermöglichen. Interessanterweise verbleiben die Domänenwände, wenn die Feldrotation entgegen der Helix-Chiralität verläuft, auf ihrer Ausgangsposition, was auf einen chiralitätsselektiven Kopplungsmechanismus hindeutet, analog zu einem Ratchet-Effekt. Zusammenfassend etabliert diese Arbeit die experimentelle Untersuchung der Dynamik in dreidimensionalen magnetischen Nanostrukturen und identifiziert Kobalt-Nano- Doppel-helices als vielseitige Plattform für geometrisch programmierte Magnetisierungsdynamik. Die Ergebnisse verdeutlichen das Potenzial dreidimensionaler magnetischer Nanoarchitek-turen für rekonfigurierbare Informationsverarbeitungs und Rechentechnologien.

Three-dimensional (3D) ferromagnetic nanostructures offer opportunities beyond planar systems, enabling novel magnetic textures and curvature-induced effects that arise directly from geometry. Simulations predict a rich range of static and dynamic behaviours in these systems. While many static magnetic configurations have been experimentally confirmed, their dynamical properties remain largely unexplored. Predicted phenomena include localized resonant modes, non-reciprocal dynamics, ultrafast texture transport, and novel spin-wave effects. However, most reported works on dynamics have focused on relatively simple geometries characterized in the frequency domain, while the investigation of more complex systems has been limited by the challenges of advanced nanofabrication and real-space, high-resolution, time-resolved magnetic imaging.In this thesis, magnetization dynamics in fully freestanding cobalt nano double helices are investigated by combining advanced direct-write nanofabrication, lab-based magnetic microscopy, and time-resolved X-ray imaging. These structures stabilize strongly coupled transverse domain-wall pairs that generate complex 3D magnetic textures. Their static response to external magnetic fields is studied to establish the stability of the coupled domain-wall state and the conditions for dynamic investigations. Magnetic force micro-scopy and nitrogen-vacancy magnetometry characterize the static magnetic properties, demonstrating the applicability of these lab-based techniques to fully 3D nanomagnets.Based on this characterization, the field-driven oscillatory dynamics of the coupled domain-wall state are investigated using time-resolved scanning transmission X-ray microscopy. The measurements provide the first direct observation of magnetization dynamics in com-plex 3D nanostructures and reveal a multiresonant response. Micromagnetic simulations attribute the observed resonances to strong magnetostatic coupling between the domain walls and predict additional higher-frequency modes. Furthermore, resonant frequencies can be tuned through geometric parameters accessible by focused-electron-beam-induced deposition, providing an alternative for frequency engineering in magnetic nanoresonators. The second dynamic phenomenon investigated is domain-wall transport under rotating magnetic-field excitation. To enable these experiments, an X-ray-transparent magnetic-field rotator was designed, fabricated, and optimized to generate rotating fields compatible with MHz time-resolved X-ray microscopy. Time-resolved imaging reveals localized oscillatory motion of the coupled domain-wall pair rather than complete propagation through the nanostructure. This behaviour is reproduced by micromagnetic simulations, which show that at experimentally accessible field amplitudes, the domain walls oscillate when the field rotation matches the structural chirality of the double helix, whereas larger fields are required to drive propagation through the structure. Interestingly, when the field rotation opposes the helix chirality, the domain walls remain confined to their initial position, suggesting a chirality-selective coupling mechanism analogous to a ratchet effect. Overall, this work establishes the experimental investigation of dynamics in 3D magnetic nanostructures and identifies cobalt nano double helices as a versatile platform for geometrically programmed magnetization dynamics, highlighting the potential of three-dimensional magnetic nanoarchitectures for future reconfigurable computing and information processing technologies.