Spin dynamics and transport in magnetic heterostructures

The direct integration of magnon-spintronic devices in current technologies requires the development of spin-wave sources emitting ultra-short wavelengths and low-loss spin-wave guides. In this work, possible solutions for both of these challenges are provided. The first part of this thesis is dedicated to the nonreciprocal spin-wave emission in magnetic bilayers. Two prototype systems are theoretically investigated and corroborated by experimental results: (i) extended magnetic bilayer films and (ii) micron-sized elliptical magnetic bilayers. The nonreciprocity of the dispersion relation induced by the dynamic dipole-dipole interactions is investigated by means of micromagnetic simulations and an analytic theory. The nonreciprocal frequency shift linearly increases with the film thickness for small wave numbers. The topological emission of short-wavelength spin waves is observed in the micron-sized elliptical magnetic bilayers using scanning transmission X-ray microscopy and theoretically corroborated utilizing micromagnetic simulations. The second part of this thesis theoretically investigates a special spin transport mechanism in ferromagnetic thin films termed spin superfluidity. The main characteristic of this macroscopic state is the power-law dependence of the dissipated spin current in contrast to the exponential damping of spin waves, enabling low-loss long-range transport. The possible existence and the stability of the superfluidic transport in ferromagnetic thin films excited by spin-transfer torque in the presence of the intrinsic dipole-dipole interactions is reported for the first time. To provide indicators to prove the experimental realization of a spin superfluid the dependence on the excitation current is numerically analyzed. Three distinct regimes are obtained for both disabled and enabled dipole-dipole interactions, showing the generality of the investigated system. Both presented effects might open new paths for the technological application of magnonic devices in the future.Die direkte Integration von magnon-spintronischen Bauteilen in moderne Technologien erfordert die Entwicklung von kurzwelligen Spinwellenquellen und verlustarmer Spinwellenleiter. In dieser Arbeit werden mögliche Lösungen für diese beiden Herausforderungen vorgestellt. Der erste Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der nichtreziproken Spinwellenemission in magnetischen Doppellagen. Zwei Prototypsysteme werden theoretisch untersucht und durch experimentelle Ergebnisse untermauert: (i) ausgedehnte magnetische Doppellagen und (ii) mikrometer-große elliptische Doppellagen. Durch die dynamischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wird eine Nichtreziprozität der Dispersionsrelation induziert. Diese wird mittels mikromagnetischer Simulationen und einer analytischen Theorie untersucht. Die nichtreziproke Frequenzverschiebung nimmt hierbei bei kleinen Wellenzahlen linear mit der Filmdicke zu. Die topologische Emission von Spinwellen wird in den mikrometer-großen elliptischen Doppellagen unter Verwendung von Röntgentransmissionsmikroskopie beobachtet und theoretisch unter Verwendung mikromagnetischer Simulationen bestätigt. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der spezielle Spintransport in ferromagnetischen dünnen Filmen untersucht, der als Spinsuprafluidität bekannt ist. Das Hauptmerkmal dieses makroskopischen Zustands ist die Abhängigkeit des dissipierten Spinstromes von der Propagationslänge als Potenzgesetz im Gegensatz zur exponentiellen Dämpfung von Spinwellen. Die Existenz und die Stabilität des suprafluiden Transportes in dünnen ferromagnetischen Filmen, angeregt durch einen spinpolarisierten Strom, in Gegenwart der intrinsischen Dipol-Dipol-Wechselwirkungen wird erstmals beschrieben. Um Hinweise für die experimentelle Realisierung der Spinsuprafluidität zu geben, wird die Abhängigkeit des Zustandes vom Anregungsstrom numerisch analysiert. Hierbei ergeben sich drei verschiedene Bereiche für den Fall vernachlässigter als auch aktivierter Dipol-Dipol-Wechselwirkung. Dies zeigt die Allgemeinheit des untersuchten Systems. Die beiden vorgestellten Effekte könnten in Zukunft neue Wege für die technologische Anwendung magnonischer Strukturen eröffnen