Gyrotropic motions in one-dimensional magnetic vortex-antivortex lattices

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Recently, as a potential candidate of next-generation signal-transfer device, the dynamics of coupled magnetic vortices have been studied. One of the required features of future devices is high working speed, but the previous results of signal-transfer speed of an array of separated vortex disks were relatively lower than other candidates.
In this thesis, we introduced the connected disks structure, where a magnetic vortex and antivortex are formed in turn. They are strongly coupled via not only a long-range dipole-dipole interaction, but also a short range exchange interaction. We observed the signal transfer phenomena by way of gyration propagation of the coupled vortex-antivortex array, and revealed that the collective oscillations of the cores’ gyration were decomposed by fundamental modes, described as standing waves. In addition, we found two unique branches of band structures, which imply that the dynamics of the vortex-antivortex array acts as the diatomic lattice vibration.
We also demonstrated the control of gyration propagation speed by application of a perpendicular magnetic field. The gyration propagation speed for the parallel polarization ordering is much faster (>1 km/s) than that for the 1D vortex-state arrays.
This work provides a fundamental understanding of the coupled dynamics of topological solitons, as well as an additional mechanism for fast gyration-signal propagation; moreover, it offers an efficient means of significant propagation-speed enhancement that is suitable for information carrier applications in continuous thin-film nanostrips.

국문 초록 (Abstract)

최근에 차세대 정보처리소자의 후보로 자기소용돌이 배열의 동적 거동이 연구되고 있다. 미래의 소자에서 필요로 하는 특성 중 하나는 빠른 작동속도이다. 하지만 물리적으로 떨어져 있는 자기소용돌이들의 배열을 이용한 기존 연구에서는 신호전달 속도가 다른 후보들에 비해 상대적으로 낮았다.
본 논문에서는, 디스크들이 물리적으로 붙어있어 자기소용돌이와 자기반소용돌이가 차례로 나타나는 구조를 도입하였다. 이 경우 두 자화구조가 쌍극자 상호작용 뿐만 아니라 교환상호작용을 통해 강하게 결합된다. 본 연구에서는 결합된 자기소용돌이-반소용돌이 배열에서 핵의 회전운동의 전파에 의한 신호전달 현상을 발견하였으며, 핵의 집단적 진동운동이 정상파로 표현되는 기본모드들로 구성되어 있다는 것을 밝혀내었다. 그리고 핵의 진동운동의 밴드구조가 두 갈래로 존재하는 것을 확인하여 자기소용돌이-반소용돌이 배열의 동적 거동이 이원자격자의 진동운동과 유사한 것을 확인하였다.
본 연구에서는 또한 수직자기장을 인가하여 의해 핵의 회전운동의 전파속도를 조절할 수 있다는 것을 입증하였고 전파속도는 최대 1km/s가 넘는 빠른 속도를 기록하였다.
본 연구는 결합된 자기소용돌이-반소용돌이 간의 동적 거동의 기초적인 이해 및 이를 이용한 빠른 신호전달 방법을 제공한다. 또한 가는 나노박막을 이용한 정보 전달 매체의 효과적인 속도 향상 방법을 제시한다.

목차 (Table of Contents)

• Abstract 1
• Contents 3
• List of Figures 5
• Chapter 1 Introduction 7
• Chapter 2 Research Background 10
• 2.1 Micromagnetics 10
• 2.2 Micromagnetic simulation 14
• 2.3 Magnetic vortex and antivortex 15
• 2.4 Gryotropic mode of vortex and antivortex 20
• 2.5 Coupled system of vortices and antivortices 24
• Chapter 3 Collective modes of vortex-antivortex gyration in 1D finite vortex-antivortex lattices 28
• 3.1 Simulation condition 29
• 3.2 Vortex-antivortex core gyration propagation and eigenmode frequencies 32
• 3.3 Spatial correlation of eigenmodes of coupled vortex antivortex gyration 36
• Chapter 4 Collective modes of vortex-antivortex gyration in semi-infinite 1D vortex-antivortex lattices 39
• 4.1 Dispersion relation of vortex-antivortex gyration in semi-infinite lattices 39
• 4.2 Perpendicular bias field effect on dispersion relation 43
• 4.3 Perpendicular bias field effect on gyration-signal propagation speed 49
• Chapter 5 Conclusion 52
• Bibliography 53
• Publication List 61