We report on the observation of magnetic vortex domain wall chirality reversal in ferromagnetic rings that is controlled by the sense of rotation of a magnetic field. We use time-resolved X-ray microscopy to dynamically image the chirality-switching process and perform micromagnetic simulations to deduce the switching details from time-resolved snapshots. We find experimentally that the switching occurs within less than 4 ns and is observed in all samples with ring widths ranging from 0.5 μm to 2 μm, ring diameters between 2 μm and 5 μm, and a thickness of 30 nm, where a vortex domain wall is present in the magnetic onion state of the ring. From the magnetic contrast in the time-resolved images, we can identify effects of thermal activation, which plays a role for the switching process. Moreover, we find that the process is highly reproducible so that the domain wall chirality can be set with high fidelity.

1.
S. S. P.
Parkin
,
M.
Hayashi
, and
L.
Thomas
,
Science
320
,
190
(
2008
).
2.
D. A.
Allwood
,
G.
Xiong
,
C. C.
Faulkner
,
D.
Atkinson
,
D.
Petit
, and
R. P.
Cowburn
,
Science
309
,
1688
(
2005
).
3.
J. A.
Currivan
,
Y.
Jang
,
M. D.
Mascaro
,
M. A.
Baldo
, and
C. A.
Ross
,
IEEE Magn. Lett.
3
,
3000104
(
2012
).
4.
O.
Boulle
,
G.
Malinowski
, and
M.
Kläui
,
Mater. Sci. Eng. R
72
,
159
(
2011
).
5.
R.
McMichael
and
M.
Donahue
,
IEEE Trans. Magn.
33
,
4167
(
1997
).
6.
M.
Kläui
,
J. Phys.: Condens. Mattter
20
,
313001
(
2008
).
7.
A.
Wachowiak
,
J.
Wiebe
,
M.
Bode
,
O.
Pietzsch
,
M.
Morgenstern
, and
R.
Wiesendanger
,
Science
298
,
577
(
2002
).
8.
S.
Bohlens
,
B.
Krüger
,
A.
Drews
,
M.
Bolte
,
G.
Meier
, and
D.
Pfannkuche
,
Appl. Phys. Lett.
93
,
142508
(
2008
).
9.
M.
Jaafar
,
R.
Yanes
,
D.
Perez de Lara
,
O.
Chubykalo-Fesenko
,
A.
Asenjo
,
E. M.
Gonzalez
,
J. V.
Anguita
,
M.
Vazquez
, and
J. L.
Vicent
,
Phys. Rev. B
81
,
054439
(
2010
).
10.
A.
Pushp
,
T.
Phung
,
C.
Rettner
,
B. P.
Hughes
,
S.-H.
Yang
,
L.
Thomas
, and
S. S. P.
Parkin
,
Nat. Phys.
9
,
505
(
2013
).
11.
M.
Kläui
,
H.
Ehrke
,
U.
Rüdiger
,
T.
Kasama
,
R. E.
Dunin-Borkowski
,
D.
Backes
,
L. J.
Heyderman
,
C. A. F.
Vaz
,
J. A. C.
Bland
,
G.
Faini
,
E.
Cambril
, and
W.
Wernsdorfer
,
Appl. Phys. Lett.
87
,
102509
(
2005
).
12.
M.
Hayashi
,
L.
Thomas
,
C.
Rettner
,
R.
Moriya
,
X.
Jiang
, and
S. S. P.
Parkin
,
Phys. Rev. Lett.
97
,
207205
(
2006
).
13.
D.
Petit
,
A.-V.
Jausovec
,
D.
Read
, and
R. P.
Cowburn
,
J. Appl. Phys.
103
,
114307
(
2008
).
14.
L. K.
Bogart
,
D.
Atkinson
,
K.
O'Shea
,
D.
McGrouther
, and
S.
McVitie
,
Phys. Rev. B
79
,
054414
(
2009
).
15.
E.-S.
Wilhelm
,
D.
McGrouther
,
L.
Heyne
,
A.
Bisig
, and
M.
Kläui
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
252501
(
2009
).
16.
D.
McGrouther
,
S.
McVitie
,
J. N.
Chapman
, and
A.
Gentils
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
022506
(
2007
).
17.
J.
Rothman
,
M.
Kläui
,
L.
Lopez-Diaz
,
C. A. F.
Vaz
,
A.
Bleloch
,
J. A. C.
Bland
,
Z.
Cui
, and
R.
Speaks
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
1098
(
2001
).
18.
Y.
Nakatani
,
A.
Thiaville
, and
J.
Miltat
,
J. Magn. Magn. Mater.
290–291
,
750
(
2005
).
19.
M.
Negoita
,
T. J.
Hayward
, and
D. A.
Allwood
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
072405
(
2012
).
20.
M.
Curcic
,
H.
Stoll
,
M.
Weigand
,
V.
Sackmann
,
P.
Juellig
,
M.
Kammerer
,
M.
Noske
,
M.
Sproll
,
B.
Van Waeyenberge
,
A.
Vansteenkiste
,
G.
Woltersdorf
,
T.
Tyliszczak
, and
G.
Schütz
,
Phys. Status Solidi B
248
,
2317
(
2011
).
21.
A. L. D.
Kilcoyne
,
T.
Tyliszczak
,
W. F.
Steele
,
S.
Fakra
,
P.
Hitchcock
,
K.
Franck
,
E.
Anderson
,
B.
Harteneck
,
E. G.
Rightor
,
G. E.
Mitchell
,
A. P.
Hitchcock
,
L.
Yang
,
T.
Warwick
, and
H.
Ade
,
J. Synchrotron Radiat.
10
,
125
(
2003
).
22.
G.
Schütz
,
W.
Wagner
,
W.
Wilhelm
,
P.
Kienle
,
R.
Zeller
,
R.
Frahm
, and
G.
Materlik
,
Phys. Rev. Lett.
58
,
737
(
1987
).
23.
A.
Bisig
,
M.
Stärk
,
M.-A.
Mawass
,
C.
Moutafis
,
J.
Rhensius
,
J.
Heidler
,
F.
Büttner
,
M.
Noske
,
M.
Weigand
,
S.
Eisebitt
,
T.
Tyliszczak
,
B.
Van Waeyenberge
,
H.
Stoll
,
G.
Schütz
, and
M.
Kläui
,
Nat. Commun.
4
,
2328
(
2013
).
24.
See supplementary material at http://dx.doi.org/10.1063/1.4915256 for the series of time-resolved images and the micromagnetic simulations.
25.
A. A.
Thiele
,
Phys. Rev. Lett.
30
,
230
(
1973
).
26.
D. L.
Huber
,
Phys. Rev. B
26
,
3758
(
1982
).
27.
M.
Laufenberg
,
D.
Backes
,
W.
Bührer
,
D.
Bedau
,
M.
Kläui
,
U.
Rüdiger
,
C. A. F.
Vaz
,
J. A. C.
Bland
,
L. J.
Heyderman
,
F.
Nolting
,
S.
Cherifi
,
A.
Locatelli
,
R.
Belkhou
,
S.
Heun
, and
E.
Bauer
,
Appl. Phys. Lett.
88
,
052507
(
2006
).
28.
M.
Donahue
and
D.
Porter
,
Interagency Report NISTIR 6376
, National Institute of Standards and Technology,
1999
.
29.
T. A.
Moore
,
M.
Kläui
,
L.
Heyne
,
P.
Möhrke
,
D.
Backes
,
J.
Rhensius
,
U.
Rüdiger
,
L. J.
Heyderman
,
J.-U.
Thiele
,
G.
Woltersdorf
,
C. H.
Back
,
A.
Fraile Rodriguez
,
F.
Nolting
,
T. O.
Mentes
,
M. A.
Nino
,
A.
Locatelli
,
A.
Potenza
,
H.
Marchetto
,
S.
Cavill
, and
S. S.
Dhesi
,
Phys. Rev. B
80
,
132403
(
2009
).
30.
R.
Hertel
,
S.
Gliga
,
M.
Fähnle
, and
C. M.
Schneider
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
117201
(
2007
).
31.
A.
Vansteenkiste
,
K. W.
Chou
,
M.
Weigand
,
M.
Curcic
,
V.
Sackmann
,
H.
Stoll
,
T.
Tyliszczak
,
G.
Woltersdorf
,
C. H.
Back
,
G.
Schütz
, and
B. V.
Waeyenberge
,
Nat. Phys.
5
,
332
(
2009
).
32.
K.-S.
Lee
,
S.-K.
Kim
,
Y.-S.
Yu
,
Y.-S.
Choi
,
K. Y.
Guslienko
,
H.
Jung
, and
P.
Fischer
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
267206
(
2008
).
33.
K. Y.
Guslienko
,
K.-S.
Lee
, and
S.-K.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
027203
(
2008
).
34.
J.
He
,
Z.
Li
, and
S.
Zhang
,
Phys. Rev. B
73
,
184408
(
2006
).
35.
K. Y.
Guslienko
,
B. A.
Ivanov
,
V.
Novosad
,
Y.
Otani
,
H.
Shima
, and
K.
Fukamichi
,
J. Appl. Phys.
91
,
8037
(
2002
).
36.
K. Y.
Guslienko
,
X. F.
Han
,
D. J.
Keavney
,
R.
Divan
, and
S. D.
Bader
,
Phys. Rev. Lett.
96
,
067205
(
2006
).
37.
C.
Zinoni
,
A.
Vanhaverbeke
,
P.
Eib
,
G.
Salis
, and
R.
Allenspach
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
207204
(
2011
).
38.
M.
Yan
,
C.
Andreas
,
A.
Kákay
,
F.
García-Sánchez
, and
R.
Hertel
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
252401
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.