Master's Thesis

Identification and manipulation of magnetic domain walls in synthetic antiferromagnets

Final Thesis 14.84 MB

Author of thesis: Bc. Martin Otýpka

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Dr. Ing. Michal Staňo

Reviewer: Dr. Ing. Viola Křižáková

Abstract:

Synthetic antiferromagnetic (SAF) systems represent a promising platform for next-generation devices. SAF multilayers composed of ferromagnets separated by non-magnetic spacers offer high stability and fast spin dynamics. This thesis focuses on the characterization, magnetic imaging and current-induced domain wall (DW) motion in SAFs with in-plane magnetic anisotropy. Using vibrating sample magnetometry, magneto-optical Kerr microscopy and magnetic force microscopy the interlayer exchange coupling and DW structure were fully analyzed. The experimental results were successfully compared with macrospin model and MuMax3 micromagnetic simulations. Analysis of current-induced DW motion experimentally demonstrated bi-directional motion character with varying asymmetric velocities, some exceeding 1 km/s. Dynamic MuMax3 simulations revealed Oersted field as the main driving mechanism. The largest relative velocity asymmetry reaching over 300 % was attributed to the interplay between DW chirality and damping-like spin-orbit torque components.

Keywords:

Synthetic antiferromagnets, domain walls, domain wall imaging, domain wall motion, spin-orbit torque, micromagnetism, MuMax3

Date of defence

17.06.2026

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaAznamka

Grading

A

Process of defence

Po otázkách oponenta bylo dále diskutováno: Dosažená rychlost pohybu doménových stěn. Dosažitelný datový tok v případě aplikace. Metody pro sledování pohybu doménových stěn. 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. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
prof. Mgr. Dominik Munzar, Dr. (člen)
doc. Mgr. Adam Dubroka, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Jan Čechal, Ph.D. (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)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Dr. Ing. Michal Staňo

Práce Bc. Martina Otýpky pojednává o magnetických doménových stěnách v syntetických antiferromagnetech (SAF) s magnetizací v rovině vzorku, zejména o možnostech jejich zobrazování a studiu jejich pohybu indukovaného proudovými pulzy.

Diskuze a literární rešerše technik pro zobrazování SAF by si ve srovnání s ostatními částmi práce zasloužila větší prostor a více literárních odkazů, zvláště, když se jedná o dva body v zadání práce. Např. více pojednat o synchrotronových technikách (kombinace transmisní rentgenové a fotoelektronové mikroskopie) a rovněž více o rastrovací elektronové mikroskopii s detekcí spinu elektronů (SEMPA), která byla v literatuře úspěšně využita ke zobrazení složitých textur v SAF. Dále zmínit, které techniky jsou použitelné i pro zcela kompenzované SAF. Shrnout parametry důležité pro jejich charakterizaci (chemická, povrchová citlivost, hloubkové zobrazování, ...). Výše uvedené by také zvýšilo využitelnost práce pro další výzkumníky. Ke splnění ostatních cílů (příprava mikrodrátů, přesun stěn pomocí proudu i jejich identifikace) nemám výhrad.

Student si s náročným tématem poradil výborně, vhodně kombinoval experimentální práci s mikromagnetickými simulacemi a modelováním. Prokázal vysokou míru samostatnosti a iniciativy. Když se ukázalo, že původně plánované zobrazování pomocí techniky SEMPA nebude možné z důvodu technického stavu zařízení realizovat, sám přišel s návrhem alternativních mikroskopií podpořený vlastními simulacemi i literaturou.

Celkově hodnotím práci známkou výborně a doporučuji ji k obhajobě.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment B
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality A
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Dr. Ing. Viola Křižáková

Diplomová práce se zabývá obsáhlou charakterizací magnetických textur v syntetických antiferomagnetech s in-plane anizotropií. Experimentálně se jedná o téma s řadou specifik a úskalí. Mezi hlavní výsledky patří popis magnetických struktur pomocí magnetooptického gradientního efektu, MFM měření, a také studium pohybu doménových stěn buzených elektrickým proudem. Práce přitom vhodně navazuje na existující experimentální expertizu a teoretické zázemí dané výzkumné skupiny.

Experimentální část je provedena pečlivě a jednotlivé postupy jsou přehledně popsány, včetně jejich limitací. Důležitým kladem práce je systematická konfrontace experimentálních pozorování s výpočty či numerickými simulacemi a jejich společná diskuse, což zvyšuje přesvědčivost interpretace výsledků. Součástí práce je rovněž vlastní příprava vzorků pomocí standardních mikrofabrikačních litografických technik; tato část je vhodně pojata jako podpůrný krok k hlavním experimentům.

Text práce je čtivý, přehledný a do značné míry samonosný. Teoretická část věnuje poměrně velký prostor systematickému zavedení základních konceptů mikromagnetismu a spintroniky. Některé z těchto pasáží však nejsou nezbytné pro pochopení navazujících kapitol a jejich rozsah jde částečně na úkor hlubší diskuse vlastních výsledků. Na druhou stranu je tím práce vhodná i jako úplný úvod do problematiky.

Celkový dojem z práce je velmi dobrý, navrhuji hodnocení stupněm A.
Evaluation criteria Grade
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout A
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Topics for thesis defence:
  1. Pohyb doménových stěn v sekci 5, přisuzovaný Oerstedovu poli a „SOT“, dosahuje rychlosti 1 km/s, což je výsledek porovnatelný se známou literaturou „PMA SAF“ systémů (ref. 6). Co mají tyto experimenty společného a co rozdílného? Bylo by možné aplikovat studovaný systém v praxi? Jakými způsoby by bylo možné systém dále zlepšit?
  2. V práci bylo ke studiu doménových struktur a jejich dynamiky využito několik experimentálních technik. Které se ukázaly jako nejvhodnější a které byste doporučil pro podobné studie? Mohla by metoda SEMPA, zmíněná v sekci 3.2, ale dále nepoužita, přinést nové informace? Je aplikovatelná na připravené vzorky, případně co by bylo potřeba změnit?
  3. V teoretické části jsou rozlišeny tři režimy pohybu doménových stěn dle proudové hustoty, přižemž režim nastávající při vysokých proudových hustotách, tzv. Walker breakdown, není experimentálně pozorován. Je jeho absence v daném systému očekávaná? Jakou roli hraje konkrétní studovaný „SAF“ systém? Za jakých podmínek lze očekávat konec lineárního režimu?
  4. V sekci 4.3 je uvedeno, že MFM asistovaná externím polem umožňuje použití hrotu s nižší magnetizací, než stejné měření bez využití pole. Jak lze experimentálně připravit a kvantifikovat magnetický moment hrotu? Jaký je rozdíl mezi měřením daného systému pomocí saturovaného a částečně demagnetizovaného CoCr hrotu a permalloyového hrotu?

Grade proposed by reviewer: A

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová