Dlhoročný technologický progres vo vývoji komerčnej elektroniky na báze polovodičov v súčasnosti začína narážať na svoje fyzikálne hranice. Napríklad, rozmer niektorých častí elektronických súčiastok sa blíži veľkosti len niekoľkých atómov, čo obmedzuje možnosti na ďalšie zmenšovanie súčiastok a geometrický rast výkonnosti výpočtovej techniky v zmysle Moorovho zákona. Naviac, pri súčasnom nastavení by spotreba energie vynaloženej na informačné a komunikačné technológie exponenciálne narastala.
Jednou zo sľubných ciest ako zvládnuť tieto výzvy je širšie využitie magnetických materiálov a ich unikátnych vlastností. Napríklad, komerčné pamäte na báze magnetických materiálov (MRAM) sa ukazujú byť efektívnym riešením energetického problému, ktoré zahŕňa vyradenie mechanických pohyblivých častí a externých polí. V rámci našej vedeckej skupiny sa venujeme teoretickému a experimentálnemu výskumu využitia magnetických materiálov v širokej škále oblastí a nanoštruktúr zhrnutých v nasledovných odstavcoch.
Magnetické solitóny (skyrmióny, magnetické víry)
Magnetické nanoštruktúry sú považované za také súčiastky na ukladanie dát, ktoré môžu operovať za hranicami polovodičovej technológie. Informácia môže byť zapísaná v magnetickej textúre, ktorú môžeme meniť externým poľom alebo elektrickým prúdom. Jednotlivé magnetické stavy sú pritom definované buď materiálovými vlastnosťami alebo geometriou súčiastky. Pozorovanie magnetických skyrmiónov nedávno naštartovalo intenzívny výskum, ktorý nadväzuje na výskum magnetických vírov, s cieľom využiť tieto magnetické solitóny ako základnej jednotky informácie. Náš teoretický a experimentálny prínos v tejto oblasti zahŕňa výskum stability skyrmiónov vo feromagnetických nanobodkách a transport skyrmiónov v mriežkach antidotov budený elektrickým prúdom. V rámci výskumu magnetických vírov sme sa fokusovali na kontrolu stavu magnetického víru v nanobodkách, ci už pomocou homogénneho externého magnetického poľa v bodkách s narušenou priestorovou symetriou, alebo vďaka spontánnemu narušeniu symetrie rýchlym vypínaním externého magnetického poľa.
Umelé spinové mriežky
V snahe modelovať usporiadanie magnetických momentov atómov (spinov) v kryštálových mriežkach, vedci vyvinuli umelé spinové mriežky, pravidelné polia feromagnetických nanoelementov, kde úlohu atómových spinov preberajú makroskopické magnetické momenty nanoelementov. Výhodou umelých spinových mriežok je ich flexibilita v nastavovaní veľkostí spinov, ich interakcií a typov mriežok. V súčasnosti výskum umelých spinových mriežok expandoval od pôvodnej atomistickej motivácie k rôznorodým oblastiam využitia od metamateriálov až po nové výpočtové paradigmy. Jednou z dlhodobých výziev v oblasti umelých spinových mriežok je kontrolovaná manipulácia rôznych magnetických konfigurácii. V našej skupine vyvíjame teoreticky aj experimentálne rôzne rekonfiguračné metódy. Konkrétne, úspešne sme demonštrovali prepínanie magnetických momentov v umelých spinových štruktúrach pomocou MFM hrotu alebo s využitím kolmého magnetického poľa.
Spinové vlny v magnónových kryštáloch
Vďaka svojim unikátnym transportným vlastnostiam sú spinové vlny, t.j. kolektívne kmity magnetickej textúry, sľubnými kandidátmi na prenos informácii v budúcich výpočtových zariadeniach. Využitie spinových vĺn je širokospektrálne a zahŕňa aj oblasti ako neuromorfné alebo kvantové počítanie. V našej skupine skúmame vlastnosti a transport spinových vĺn v magnónových kryštáloch, t.j. umelých spinových systémoch s dostatočne silnou väzbou medzi prvkami. Konkrétne, zameriavame sa na spinové systémy s netriviálnou topológiou, na okrajoch ktorých existujú jednosmerné lokalizované stavy robustné voči rozptylom.
Nové metodológie v magnetickej silovej mikroskopii
Kľúčovou súčasťou experimentálneho výskumu nanomagnetických štruktúr je príprava vzoriek a systémov na zobrazovanie magnetického poľa na nanoškále. Na tento účel sme v našej skupine vyvinuli štyri nové metodológie magnetickej silovej mikroskopie (MFM).
- Magnetická silová mikroskopia s prepínanou magnetizáciou (SM-MFM), ktorá je založená na dvojkrokovom skenovaní s otočením magnetizácie hrotu, rozlíšenie je lepšie ako 10 nm.
- MFM s dvojitým hrotom, pričom magnetický hrot sa nedotýka vzorky – systém má oddelené meranie topografia a mapovanie magnetického poľa pomocou dvoch oddelených hrotov.
- Dvojnosníkový magnetometer, v ktorom je možné väzbu medzi nosníkmi zapnúť a vypnúť v externom magnetickom poli.
- MFM s využitím jadra magnetického víru, kde je na špičke nemagnetického hrotu umiestnený feromagnetický disk vo vírivom stave. Lokalizované jadro víru v strede disku plní úlohu magnetickej sondy.
Publikácie:
- Krylov, S., Kalmykova, T., Ščepka, T., and Cambel, V.: Magnetic nanostructures with defined magnetic states fabricated by focused ion beam, Results in Phys. 60 (2024) 107669. (APVV 19-0311, VEGA 2/0168/22)
- Feilhauer, J., Zelent, M., Zhang, Z., Christensen, J., and Mruczkiewicz, M.: Unidirectional spin-wave edge modes in magnonic crystal, APL Mater. 11 (2023) 021104. (APVV 19-0311, VEGA 2/0177/21, CEMEA ITMS 313021T081)
- Ščepka, T., Feilhauer, J., Tóbik, J., Krylov, S., Kalmykova, T., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Control of closure domain state circulation in coupled triangular permalloy elements using MFM tip, J. Applied Phys. 134 (2023) 213902. (APVV 19-0311(RSWFA), VEGA 2/0177/21, 2/0168/22, CEMEA ITMS 3130217081)
- Vetrova, I., Feilhauer, J., Cambel, V., and Šoltýs, J.: MFM tip with a ferromagnetic disk-shaped apex for large domain scanning, IEEE Trans. on Nanotechnol. 22 (2023) 634-640. (VEGA 2/0168/22, ERDF 313021T081)
- Zelent, M., Moalic, M., Mruczkiewicz, M., Li, X., and Krawczyk, M.: Stabilization and racetrack application of asymmetric Néel skyrmions in hybrid nanostructures, Sci Rep. 13 (2023) 13572. (APVV 19-0311 (RSWFA), ERDF-ITMS 313021T081)
- Tóbik, J.: Dynamical symmetry breaking in magnetic systems, Phys. Status Solidi RRL 17 (2013) 2200459. ( ITMS 313021T081, APVV 19-0311(RSWFA), VEGA 2/0177/21)
- Feilhauer, J., Tóbik, J., Šoltýs, J., and Cambel, V.: Numerical characterization of magnetic vortex probe imaging for magnetic force microscopy, IEEE Trans. Magnet. 59 (2023) 6500210. (ERDF ITMS 313021T081, APVV 19-0311(RSWFA), VEGA 2/0177/21)
- Krylov, S., Vetrova, I., Feilhauer, J., Fedor, J., Dérer, J., Šoltýs, J., and Cambel, V.: Improved durable vortex core MFM tip, J. Magnet. Magn. Mater. 555 (2022) 169357. (APVV 19-0311, VEGA 2/0168/22, ITMS 313021T081).
- Bublikov, K., Tóbik, J., Sadovnikov, A.V., and Mruczkiewicz, M.: Vortex gyrotropic mode in curved nanodots, J. Magnetism Magnetic Mater. 537 (2021) 168105. (ERDF 313021T081 – CEMEA, APVV 16-0068, 19-0311(RSWFA), Era.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0150/18)
- Szulc, K., Mendisch, S., Mruczkiewicz, M., Casoli, F., Becherer, M., and Gubbiotti, G.: Nonreciprocal spin-wave dynamics in Pt/Co/W/Co/Pt multilayers, Phys. Rev. B 103 (2021) 134404. ( APVV 16-0068-NanoSky, APVV-19-0311-RSWFA, ERDF 313021T081)
- Grachev, A.A., Matveev, O.V., Mruczkiewicz, M., Morozova, M.A., Beginin, E. N., Sheshukova, S.E., and Sadovnikov, A.V.: Strain-mediated tunability of spin-wave spectra in the adjacent magnonic crystal stripes with piezoelectric layer, Applied Phys. Lett. 118 (2021) 262405. (ITMS 313021T081)
- Mruczkiewicz, M. and Gruszecki, P.: The 2021 roadmap for noncollinear magnonics, Solid State Phys. 72 (2021) 1-27.
- Vetrova, Iu.V., Zelent, M., Šoltýs, J., Gubanov, V.A., Sadovnikov, A.V., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Investigation of self-nucleated skyrmion states in the ferromagnetic/nonmagnetic multilayer dot, Applied Phys. Lett. 118 (2021) 212409. (ITMS 313021T081, APVV-16-0068, 19-0311(RSWFA), VEGA 2/0160/19)
- Zelent, M., Vetrova, Iu.V., Li, X., Zhou, Y., Šoltýs, J., Gubanov, V.A., Sadovnikov, A.V., Ščepka, T., Dérer, J., Stoklas, R., Cambel, V., and Mruczkiewicz, M.: Skyrmion formation in nanodisks using magnetic force microscopy tip, Nanomater. 11 (2021) 2627. (ERDF 313021T081, APVV 19-0311(RSWFA)), ERA.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0160/19)
- Feilhauer, J., Schumer, A., Doppler, J., Mailybaev, A.A., Böhm, J., Kuhl, U., Moiseyev, N., and Rotter, S.: Encircling exceptional points as a non-Hermitian extension of rapid adiabatic passage, Phys. Rev. A 102 (2020) 040201. (VEGA 2/0162/18)
- Feilhauer, J., Saha, S., Tóbik, J., Zelent, M., Heyderman, L.J., and Mruczkiewicz, M.: Controlled motion of skyrmions in a magnetic antidot lattice, Phys. Rev. B 102 (2020) 184425. (ERDF ITMS 313021T081, APVV-16-0068, 19-0311, Era.Net RUS Plus (TSMFA), VEGA 2/0162/18, 2/0150/18, UF, NSC, Poland UMO-2017/27/N/ST3/00419, No. UMO2018/30/Q/ST3/00416 and Nat. Scholarship Programme SR)
- Šoltýs, J., Feilhauer, J., Vetrova, J., Tóbik, J., Bublikov, K., Ščepka, T., Fedor, J., Dérer, J., and Cambel, V.: Magnetic-field imaging using vortex-core MFM tip, Applied Phys. Lett. 116 (2020) 242406. (APVV-16-0068, VEGA 2/0160/19, ERDF 313021T081)
- Neilinger, P., Ščepka, T., Mruczkiewicz, M., Dérer, J., Manca, D., Dobročka, E., Samardak, A.S., Grajcar, M., and Cambel, V.: Ferromagnetic resonance study of sputtered Pt/Co/Pt multilayers, Applied Surface Sci 461 (2018) 202-205.
- Tóbik, J., Martoňák, R., Cambel, V., : Free-energy landscapes in magnetic systems from metadynamics. Phys. Rev. B 96 (2017)
- Mruczkiewicz, M., Krawczyk, M., Guslienko, K., : Spin excitation spectrum in a magnetic nanodot with continuous transitions between the vortex, Bloch-type skyrmion, and Néel-type skyrmion states,. Phys. Rev. B 95 (2017) 094414.
- Mruczkiewicz, M., Graczyk, P., Lupo, P., Adeyeye, A., Gubbiotti, G., and Krawczyk, M. : Spin-wave nonreciprocity and magnonic band structure in a thin permalloy film induced by dynamical coupling with an array of Ni stripes, Phys. Rev. B 96 (2017) 104411.
- Zeissler, K., Mruczkiewicz, M., Finizio, S., Raabe, J., Shepley, P., Sadovnikov, A.V, Nikitov, S.A., Fallon, K., McFadzean, S., McVitie, S., Moore, T., Burnell, G., and Marrows, C.: Pinning and hysteresis in the field dependent diameter evolution of skyrmions in Pt/Co/Ir superlattice stacks, Sci Rep. 7 (2017) 15125.
- Cambel, V., Precner, M., Fedor, J., Šoltýs, J., Tóbik, J., Ščepka, T., Karapetrov, G., : High resolution switching magnetization magnetic force microscopy. Applied Phys. Lett. 102 (2013) 062405.