Low Temperature Physics: 46, 863 (2020); https://doi.org/10.1063/10.0001555
Физика Низких Температур: Том 46, Выпуск 8 (Август 2020), c. 1021-1027    ( к оглавлению , назад )

Non-uniform along thickness spin excitations in magnetic vortex-state nanodots

G.N. Kakazei

Institute of Physics for Advanced Materials, Nanotechnology and Photonics (IFIMUP) Departamento de Física e Astronomia, Universidade do Porto, Porto 4169-007, Portugal
E-mail: gleb.kakazei@fc.up.pt

K.Y. Guslienko

Departamento de Física de Materiales, Universidad del País Vasco, San Sebastián 20018, Spain IKERBASQUE, the Basque Foundation for Science, Bilbao 48011, Spain

R.V. Verba

Institute of Magnetism NAS of Ukraine and MES of Ukraine, Kyiv 03142, Ukraine

J. Ding, X.M. Liu, and A.O. Adeyeye*

Information Storage Materials Laboratory, Department of Electrical and Computer Engineering National University of Singapore, Singapore 117576, Singapore

Received April 16, 2020, published online June 22, 2020

Abstract

We summarize our experimental findings in the arrays of Ni80Fe20 circular nanodots with diameter 300 nm and thickness 20 nm ≤ L ≤ 100 nm, probed by broadband ferromagnetic resonance spectroscopy in the absence of external magnetic field. Spin excitation modes related to the vortex core gyrotropic dynamics were observed in the gigahertz frequency range. Micromagnetic simulations revealed that they are flexure oscillations of the vortex core string with n = 0, 1, 2 nodes along the dot thickness. It was found that for L > 70 nm the intensity of more complicated n = 1 vortex gyrotropic mode is unexpectedly higher than the one of the lowest n = 0 gyrotropic mode. This behavior was clarified on the basis of the inhomogeneous vortex mode phase profiles extracted from micromagnetic simulations and calculated analytically. Precise measurements of the dependence of resonance frequency of the vortex n = 0 mode on the dot thickness demonstrated a clear maximum around L = 70 nm, that was theoretically explained by introducing a vortex mass, which is a result of the vortex distortion due to interaction with spin waves having azimuthal indices m = ±1. Finally, several azimuthal spin-wave modes having curled structure at the dot top and bottom faces were found in the spectrum of the dots with thicknesses L ≥ 40 nm.

Анотація

Підсумовано експериментальні результати у масивах круглих пермалоєвих нанодотів діаметром 300 нм і товщиною 20 нм ≤ L ≤ 100 нм, досліджених методом широкосмугової феромагнітно-резонансної спектроскопії у відсутності зовнішнього магнітного поля. Моди спінового збудження, пов’язані з гіротропною динамікою ядра вихору, спостерігалися в гігагерцовому діапазоні частот. Мікромагнітне моделювання показало, що ці моди — коливання струни ядра вихору з n = 0, 1, 2 вузлами уздовж товщини нанодота. Виявлено, що для L > 70 нм інтенсивність гіротропної моди з n = 1 несподівано вище найнижчої гіротропної моди з n = 0. Така поведінка з’ясована на основі неоднорідних фазових профілей мод, отриманих з мікромагнітного моделювання і розрахованих аналітично.Точні виміри залежності резонансної частоти найнижчої моди вихору з n = 0 від товщини нанодота показали існування максимуму в районі L = 70 нм, що було пояснено наявністю у вихорі маси, яка є результатом спотворення форми вихору внаслідок взаємодії зі спіновими хвилями, що мають азимутальні індекси m = ±1. Нарешті, у спектрі нанодотів з товщиною L ≥ 40 нм виявлено кілька азимутальних спін-хвильових мод, що мають скручену структуру на верхній та нижній гранях.

Key words: nanodot, ferromagnetic resonance, spin excitations, vortex gyrotropic mode.