Master's Thesis

Magneto-optical gradient effect imaging of magnetic textures

Final Thesis 14.34 MB

Author of thesis: Ing. Tomáš Molnár

Acad. year: 2022/2023

Supervisor: M.Sc. Jon Ander Arregi Uribeetxebarria, Ph.D.

Reviewer: Mgr. Jaroslav Hamrle, Ph.D.

Abstract:

Foundations of magneto-optics (MO), the field studying the influence of magnetic fields and magnetization on the propagation of light within matter, had been laid over a century and a half ago. Since then, MO has become one of the most widely used methods for magnetic imaging at the micro-scale. In addition to the MO Faraday and Kerr effects, which are linear in magnetization, effects quadratic in magnetization (Voigt or Cotton-Mouton effect) or dependent on magnetization-gradients (gradient effect) were later found. In particular, the MO gradient effect was the last to be discovered, but as it only decorated magnetic domain boundaries, it has not attracted so far the same interest as the Kerr effect for magnetic imaging. This work investigates the usefulness of the magneto-optical gradient effect to characterize nanoscale spin configurations, such as domain walls in perpendicularly magnetized materials. We present a novel experimental approach to reveal the properties of the MO gradient effect by exploiting its symmetries with respect to the polarization of light. Further, we analytically express the corresponding signal using an available theoretical model. By comparing simulated MO gradient effect signals obtained from the transfer matrix method and experimentally retrieved signals, we explore the possibility of characterizing the internal spin structure of nanoscale magnetic domain walls.

Keywords:

magneto-optical microscopy, magneto-optical gradient effect, perpendicular magnetic anisotropy, Néel and Bloch magnetic domain walls, differential imaging, transfer matrix method

Date of defence

20.06.2023

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Možné použití metody i na nanonstruktury na povrchu Možnosti dynamického pozorování. Student na otázky odpověděl.

Language of thesis

English

Faculty

Department

Study programme

Physical Engineering and Nanotechnology (N-FIN-P)

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Petráček, Dr. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

The diploma thesis of Tomáš Molnár explores the option of using optical microscopy to characterize magnetization configurations that are smaller than the wavelength of light. For doing so, he uses the so-called magneto-optical gradient Kerr effect, which was discovered in 1990 but has since then attracted only moderate attention. The thesis includes an appropriate introduction describing typical nanoscale magnetization configurations and the principal magnetic imaging methods.

The core work of Mr. Molnár consisted on fabricating magnetic multilayers with perpendicular magnetization. He then developed a useful procedure to single out the gradient magneto-optical effect arising from bubble-like domain boundaries by cancelling out stronger magneto-optical effects, using polarization- and geometry-dependent symmetries in optical microscopy. It is succesfully shown that an optical signal arises from the magnetization at the 10-nm-wide domain boundary, which is 50 times smaller than the wavelength of the employed visible light.

Experimental results are also compared to simulations based on a permittivity tensor proposed in the 1990s. While some features coincide (e.g., single/double wall contrasts), the thesis could not unequivocally establish a direct link between simulations and data. This lack of agreement is natural given the complicated nature of the experiment and the unclear validity of the existing theoretical models.

It is worth noting that the thesis topic was practically proposed based on the ideas of the student himself, whot took a high-risk/high-gain approach. I believe the data presented in the thesis are very interesting and the unconventional optical microscopy of domain walls is of very high quality, despite its complexity. The manuscript is well written and contains all necessary materials for a comprehensive text. As a small criticism, the student sometimes overlooked the option to grow better samples or obtain additional information from them via other experimental techniques. While this was eventually realized (e.g., via Lorentz TEM), having this information sooner would have clarified some aspects earlier on.

In summary, I think this is an excellent work and I propose the highest mark, A.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii B
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací A
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Mgr. Jaroslav Hamrle, Ph.D.

Diplomová práce Bc. Tomáše Molnára se zabývá studiem magnetooptického jevu pocházející z magnetických doménových stěn, tzv. gradientní magnetooptický signál. Jedná se o velice zajímavou a obtížnou tematiku, která je v práci studována jak experimentálně, tak teoreticky.  Autor experimentálně studuje magnetooptický signál z doménových stěn na různých typech systémů s out-of-plane magnetizací, pro různé nastavení optické aparatury a v závislosti na mírném rozostření mikroskopu. Autorům se podařilo pozorovat jak jednoduchý kontrast (jednoduchý signál z doménové stěny) tak dvojitý signál z doménové stěny. Teoretický popis pozorovaných jevů nesouhlasí s předpokládanámi modely publikovanými dříve, což ukazuje na nutnost rozšířit tyto modely či předpoklady. Interpretace dat tedy není zcela dokončena, což ukazuje na obtížnost této problematiky.
Práce je velice dobře sepsána. Úvodní kapitoly jsou velmi pěkným úvodem do řešené problematiky, tak jako přehled výsledků věnující se této speciální tematice. Ukazují, že autor tématu velice dobře rozumí a nastudoval značné množství související literatury.
Práci doporučuji k obhajobě a navrhuji ohodnotit známkou A – výborně.
Evaluation criteria Grade
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry A
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis A
Práce s literaturou včetně citací A
Topics for thesis defence:
  1. 1) v textu nad rovnicí 3.6 zmiňujete, že tensor permittivity je možno rozdělit na Hermitovskou a anti-Hermitovskou část. Má toto rozdělení fyzikální význam? Ptám se, protože tensor permitivity se většinou dělí na symetrickou a antisymetrickou část, příčemž např. jevy liché v magnetizaci vzorku tvoří antisymetrickou část tenzoru permittivity, zatímco jevy sudé v magnetizaci tvoří symetrickou část tenzoru permitivity.
  2. 2) rovnice 3.13 vyjadřuje tenzoru permitivity pocházející z gradientu magnetizace. U tohoto tenzoru bych očekával symetrii v záměnně proměnných. Např. když x-osa je zaměněna za z-osou, očekával bych, že tvar tenzoru se nezmění. Mohl byste prosím okomentovat, odkud tato absence symetrie pochází?
  3. 3) měřený magnetooptický signál je obecně kombinací polárního, longitudinálního, Voightova a grandientního příspěvku. Mohl byste prosím ukázat, jak jednotlivé příspěvky lze od sebe oddělit? Dále, jaká informace navíc je získána pomocí jemného rozostření mikroskopu?
  4. 4) za velice zajímavé měření považuji, že na systému Pt/Co se dvojitý kontrast z doménové stěny objevil pouhým natočením analyzátoru (Obrázek 5.9). Mohl byste prosím okomentovat, proč natočení analyzátoru v tomto případě vedlo k dvojitému kontrastu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová