GHz Magnetization Dynamics in X-ray PhotoEmission Electron Microscopy (XPEEM)

Abstract

[eng] This thesis presents the recent results achieved during my Ph.D. This is a research project in the field of condensed matter physics, under the supervision of Dr. Michael Foerster of the ALBA Synchrotron and Dr. Ferran Macià from the University of Barcelona, during November 2020 to February 2024. This thesis is based on a collection of articles combined with an overview and a discussion. In general, magnetic systems which are influenced by different energy factors, realize a final state that tries to minimize the total energy. This can produce diverse magnetic patterns that deviate from uniform alignment. Observing and controlling the evolution of magnetization is vital for the development of fast devices and often requires operations on sub-nanosecond time scales. The main objective of this thesis is to generate and observe magnetization dynamics at the micro/nano scale in different systems of thin magnetic layers from acoustic waves. This approach represents a low-energy method compared to other conventional approaches to induce dynamics in magnetic systems. X-ray photoemission electron microscopy (XPEEM) is used to observe the dynamics of magnetic systems under the effect of acoustic waves.

This work is structured in seven chapters. The first chapter consists of a brief introduction and the objectives of the thesis. Chapter 2 provides the general introduction into the field of magnetism that provides details on the origin of magnetism in a particular material. There are various energies present in magnetic materials, either intrinsic or extrinsic, that adjust the ground state of the material. The global magnetic behavior is governed by the balance between these energies, giving rise to various magnetic configurations in the system. In the third chapter, knowledge about the synchrotron and synchrotron light is presented along with the different sections of the synchrotron that lead to the generation of X-rays. PEEM uses these X-rays to obtain images of the magnetic behavior of materials. This mechanism is discussed below, which includes the instrumentation of the PEEM configuration and the factors that affect its spatial resolution. Various characterization techniques can be performed using XPEEM, such as XAS, XMCD, XMLD, XPS, etc. to determine the occupation states in magnetic systems. In addition, since the thesis was mainly carried out in the Alba synchrotron light facility, several attributes related to this installation are also presented. Chapter four discusses the importance of tuning magnetization in materials to improve their properties for various applications. It explores different methods to understand and optimize magnetization dynamics within materials. The chapter is divided into three parts. First, it provides an overview of the state of the art and the underlying physics of magnetization dynamics. Second, it analyzes the role of surface acoustic waves (SAW) in the manipulation of magnetization dynamics, including the most relevant studies. Finally, the experimental setup required to combine SAW generation in magnetic devices together with XPEEM imaging is explored, with the aim of observing and analyzing the magnetization dynamics, and how the magnetization is coupled to acoustic waves.

In the fifth chapter, a detailed summary of all the articles included in this thesis is presented, followed by the sixth chapter which includes all the articles. Among these papers, one has been published in the journal Ultramicroscopy and the other two have already been submitted and are under review in Phys. Rev. Lett. and Phys. Rev. Research. We have observed that the strain due to SAW induces magnetization dynamics in both ferromagnetic and antiferromagnetic systems and both systems exhibit comparable efficiency. We designed and built a high frequency connection for the XPEEM microscope system that allows studying excitations at higher frequencies (>1 GHz) and used it to study magneto-acoustic waves (combination of magnetic waves and acoustic waves) in ferromagnetic systems such as Ni and Co and to determine their magnetoelastic coupling in this regime. Finally, the conclusions are summarized and the perspectives are added in the seventh chapter. This thesis presents a new approach to generate magnetoacoustic waves in magnetic thin layers based on the magnetoelastic interaction. On the one hand in antiferromagnetic materials, offering potential applications in data storage and on the other in ferromagnetic materials, where we observe the weakening of waves at frequencies above 1 GHz; suggesting that more work is needed to address this. Striking variations in wave amplitudes at specific frequencies in different ferromagnetic systems suggest diverse interactions between magnetization waves and acoustic waves. In addition, the new system designed for the XPEEM microscope at the ALBA offers opportunities to make measurements with time resolution, such as studies of magnetization dynamics, domain walls and skyrmion motion using ultra-short current pulses. These pathways promise to develop new nanomagnetic devices for future data storage applications, emphasizing the importance of continued exploration in both fundamental and technological areas.

[cat] Aquesta tesi presenta els resultats recents realitzats durant el meu doctorat. Es tracta d’un treball de recerca en el camp de la física de la matèria condensada, sota la supervisió del Dr. Michael Foerster del Sincrotró ALBA i el Dr. Ferran Macià de la Universitat de Barcelona, durant el novembre de 2020 al febrer de 2024. Aquesta tesi es basa en una col·lecció d’articles combinat amb una visió general i una discussió. En els sistemes magnètics, influenciats per diferents factors energètics, tenen un estat final que intenta minimitzar l'energia total. Això pot produir patrons magnètics diversos que disten d'una alineació uniforme. L'observació i el control de l'evolució de la magnetització és vital pel desenvolupament de dispositius ràpids i sovint requereix operacions a escales de temps inferiors al nanosegon. L'objectiu principal d'aquesta tesi és generar i observar dinàmiques de magnetització a la micro/nano escala en diferents sistemes de capes fines magnètiques a partir de ones acústiques. Aquest enfocament representa un mètode de baix consum d'energia en comparació amb altres enfocaments convencionals per induir la dinàmica en sistemes magnètics. S’utilitza la

microscopia electrònica de fotoemissió de raigs X (XPEEM) per observar la dinàmica i dels sistemes magnètics sota l’efecte de les ones acústiques. Aquest treball s'estructura en set capítols. El primer capítol consta d'una breu introducció i dels objectius de la tesi. El capítol 2 ofereix la introducció general dins del camp del magnetisme que proporciona els detalls sobre l'origen del magnetisme en un material concret. Hi ha diverses energies presents als materials magnètics, ja siguin intrínseques o extrínseques, que ajusten l'estat fonamental del material. El comportament magnètic global es regeix per l'equilibri entre aquestes energies, donant lloc a diverses configuracions magnètiques en el sistema. En el tercer capítol, es presenten coneixements sobre el sincrotró i la llum de sincrotró juntament amb les diferents seccions del sincrotró que condueixen a la generació de raigs X. PEEM utilitza aquests raigs X per obtenir imatges del comportament magnètic dels materials. Aquest mecanisme es discuteix més endavant, que inclou la instrumentació de la configuració del PEEM i els factors que afecten la seva resolució espaial. Es poden realitzar diverses tècniques de caracterització mitjançant XPEEM, com ara XAS, XMCD, XMLD, XPS, etc. per determinar els estats d'ocupació en els sistemes magnètics. A més, com que la tesi s’ha realitzat principalment a la instal·lació de Llum del Sincrotró Alba, també es presenten diversos atributs relacionats amb aquesta instal·lació. El capítol quatre analitza la importància d'ajustar la magnetització en materials per millorar les seves propietats per a diverses aplicacions. Explora diferents mètodes per comprendre i optimitzar la dinàmica de magnetització dins dels materials. El capítol està dividit en tres parts. En primer lloc, ofereix una visió general de l'estat de l'art i la física subjacent de la dinàmica de magnetització. En segon lloc, analitza el paper de les ones acústiques superficials (SAW) en la manipulació de la dinàmica de magnetització, incloent els estudis més rellevants. Finalment, s'aprofundeix en la configuració experimental necessària per combinar la generació SAW en dispositius

magnètics juntament amb la presa d’imatges XPEEM, amb l’objectiu d’observar i analitzar la dinàmica de magnetització, i com la magnetització s'acobla a amb les ones acústiques. En el cinquè capítol, es presenta un resum detallat de tots els articles inclosos en aquesta tesi, seguit del sisè capítol que inclou tots els articles. Entre aquests articles, un s'ha publicat a la revista d'Ultramicroscopy i els altres dos ja s'han enviat i estan en procés de revisió a Phys. Rev. Lett. i Phys. Rev. Research. Hem observat que la tensió deguda a SAW indueix dinàmiques de magnetització tant en sistemes ferromagnètics com en sistemes antiferromagnètics i ambdós sistemes presenten una eficiència comparable. Hem dissenyat i construït un sistema al microscopi XPEEM que permet estudiar excitacions a més altes freqüències (>1GHz) i ho hem utilitzat per estudiar les ones magneto- acústiques (combinació d’ones magnètiques i ones acústiques) en sistemes ferromagnètics com Ni i Co i de per determinar-ne l'acoblament magnetoelàstic. Finalment, es resumeixen les conclusions i s'afegeixen les perspectives en el setè capítol. Aquesta tesi presenta un nou enfocament per generar ones magnetoacústiques en capes primes magnètiques a partir de la interacció magnetoelàstica. Per una banda en materials antiferromagnets, oferint aplicacions potencials en l'emmagatzematge de dades i per l’altra en materials ferromagnets, on observem el debilitament de les ones a freqüències per sobre de 1 GHz; fet que suggereix que més investigacions són necessàries. Les variacions sorprenents en les amplituds de les ones a freqüències específiques en diferents sistemes ferromagnètics suggereixen interaccions diverses entre les ones de magnetització i les ones acústiques. A més, el nou sistema dissenyat perl microscopi XPEEM a ALBA ofereix oportunitats per fer mesures amb resolució temporal, com són els estudis sobre la dinàmica de magnetització, les parets de domini i el moviment del skyrmions mitjançant polsos de corrent ultra curts. Aquestes vies prometen desenvolupar nous dispositius nanomagnètics per a futures aplicacions d'emmagatzematge de dades, posant èmfasi en la importància de l'exploració continuada tant en els àmbits fonamentals com en els tecnològics.