Ferromagnetic resonance force microscopy (FMRFM) is a powerful scanned probe technique that uses sub-micrometer-scale, spatially localized standing spin wave modes (LMs) to perform local ferromagnetic resonance (FMR) measurements. Here, we show the spatially resolved imaging of Gilbert damping in a ferromagnetic material (FM) using FMRFM. Typically damping is measured from the FMR linewidth. We demonstrate an approach to image the spatial variation of Gilbert damping utilizing the LM resonance peak height to measure the LM resonance cone angle. This approach enables determination of damping through field-swept FMRFM at a single excitation frequency. The extreme force sensitivity of ∼2 fN at room temperature can resolve changes of Gilbert damping as small as ∼2×104 at 2 GHz, corresponding to ∼0.16 Oe in FMR linewidth resolution. This high sensitivity, high spatial resolution, and single frequency imaging of Gilbert damping creates the opportunity to study spin interactions at the interface between an insulating FM and a small volume of nonmagnetic material such as atomically thin two-dimensional materials.

1.
M. S.
Grinolds
,
S.
Hong
,
P.
Maletinsky
,
L.
Luan
,
M. D.
Lukin
,
R. L.
Walsworth
, and
A.
Yacoby
,
Nat. Phys.
9
,
215
(
2013
).
2.
D.
Rugar
,
H. J.
Mamin
,
M. H.
Sherwood
,
M.
Kim
,
C. T.
Rettner
,
K.
Ohno
, and
D. D.
Awschalom
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
120
(
2015
).
3.
C. H.
Du
,
T.
van der Sar
,
T. X.
Zhou
,
P.
Upadhyaya
,
F.
Casola
,
H. L.
Zhang
,
M. C.
Onbasli
,
C. A.
Ross
,
R. L.
Walsworth
,
Y.
Tserkovnyak
, and
A.
Yacoby
,
Science
357
,
195
(
2017
).
4.
P.
Willke
,
K.
Yang
,
Y.
Bae
,
A. J.
Heinrich
, and
C. P.
Lutz
,
Nat. Phys.
15
,
1005
(
2019
).
5.
K.
Yang
,
W.
Paul
,
S. H.
Phark
,
P.
Willke
,
Y.
Bae
,
T.
Choi
,
T.
Esat
,
A.
Ardavan
,
A. J.
Heinrich
, and
C. P.
Lutz
,
Science
366
,
509
(
2019
).
6.
D.
Rugar
,
R.
Budakian
,
H. J.
Mamin
, and
B. W.
Chui
,
Nature
430
,
329
(
2004
).
7.
P. E.
Wigen
,
M. L.
Roukes
, and
P. C.
Hammel
,
Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures III
(
Springer
,
2006
), Vol.
101
, p.
105
.
8.
I.
Lee
,
Y.
Obukhov
,
G.
Xiang
,
A.
Hauser
,
F.
Yang
,
P.
Banerjee
,
D. V.
Pelekhov
, and
P. C.
Hammel
,
Nature
466
,
845
(
2010
).
9.
R.
Adur
,
C. H.
Du
,
H. L.
Wang
,
S. A.
Manuilov
,
V. P.
Bhallamudi
,
C.
Zhang
,
D. V.
Pelekhov
,
F. Y.
Yang
, and
P. C.
Hammel
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
176601
(
2014
).
10.
A.
Hamadeh
,
O. D.
Kelly
,
C.
Hahn
,
H.
Meley
,
R.
Bernard
,
A. H.
Molpeceres
,
V. V.
Naletov
,
M.
Viret
,
A.
Anane
,
V.
Cros
,
S. O.
Demokritov
,
J. L.
Prieto
,
M.
Munoz
,
G.
de Loubens
, and
O.
Klein
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
197203
(
2014
).
11.
H.
Wang
,
C.
Du
,
Y.
Pu
,
R.
Adur
,
P. C.
Hammel
, and
F.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
197201
(
2014
).
12.
S.
Singh
,
A. K.
Patra
,
B.
Barin
,
E.
del Barco
, and
B.
Ozyilmaz
,
IEEE Trans. Magn.
49
,
3147
(
2013
).
13.
J. B. S.
Mendes
,
O. A.
Santos
,
L. M.
Meireles
,
R. G.
Lacerda
,
L. H.
Vilela-Leao
,
F. L. A.
Machado
,
R. L.
Rodriguez-Suarez
,
A.
Azevedo
, and
S. M.
Rezende
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
226601
(
2015
).
14.
S.
Dushenko
,
H.
Ago
,
K.
Kawahara
,
T.
Tsuda
,
S.
Kuwabata
,
T.
Takenobu
,
T.
Shinjo
,
Y.
Ando
, and
M.
Shiraishi
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
166102
(
2016
).
15.
D.
MacNeill
,
G.
Stiehl
,
M.
Guimaraes
,
R.
Buhrman
,
J.
Park
, and
D.
Ralph
,
Nat. Phys.
13
,
300
(
2017
).
16.
J. B. S.
Mendes
,
O. A.
Santos
,
T.
Chagas
,
R.
Magalhaes-Paniago
,
T. J. A.
Mori
,
J.
Holanda
,
L. M.
Meireles
,
R. G.
Lacerda
,
A.
Azevedo
, and
S. M.
Rezende
,
Phys. Rev. B
99
,
214446
(
2019
).
17.
G. N.
Kakazei
,
P. E.
Wigen
,
K. Y.
Guslienko
,
V.
Novosad
,
A. N.
Slavin
,
V. O.
Golub
,
N. A.
Lesnik
, and
Y.
Otani
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
443
(
2004
).
18.
G. Z.
Wu
,
S. P.
White
,
W. T.
Ruane
,
J. T.
Brangham
,
D. V.
Pelekhov
,
F. Y.
Yang
, and
P. C.
Hammel
,
Phys. Rev. B
101
,
184409
(
2020
).
19.
O.
Klein
,
G.
Loubens
,
V. V.
Naletov
,
F.
Boust
,
T.
Guillet
,
H.
Hurdequint
,
A.
Leksikov
,
A. N.
Slavin
,
V. S.
Tiberkevich
, and
N.
Vukadinovic
,
Phys. Rev. B
78
,
144410
(
2008
).
20.
O.
Klein
,
V.
Charbois
,
V. V.
Naletov
, and
C.
Fermon
,
Phys. Rev. B
67
,
220407
(
2003
).
21.
A.
Vansteenkiste
,
J.
Leliaert
,
M.
Dvornik
,
M.
Helsen
,
F.
Garcia-Sanchez
, and
B.
van Waeyenberge
,
AIP Adv.
4
,
107133
(
2014
).
22.
X. Y.
Lu
,
L. J.
Atkinson
,
B.
Kuerbanjiang
,
B.
Liu
,
G. Q.
Li
,
Y. C.
Wang
,
J. L.
Wang
,
X. Z.
Ruan
,
J.
Wu
,
R. F. L.
Evans
,
V. K.
Lazarov
,
R. W.
Chantrell
, and
Y. B.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
192406
(
2019
).
23.
J. T.
Brangham
,
K.-Y.
Meng
,
A. S.
Yang
,
J. C.
Gallagher
,
B. D.
Esser
,
S. P.
White
,
S.
Yu
,
D. W.
McComb
,
P. C.
Hammel
, and
F.
Yang
,
Phys. Rev. B
94
,
054418
(
2016
).
24.
R.
Arias
and
D. L.
Mills
,
Phys. Rev. B
60
,
7395
(
1999
).
25.
L. J.
Zhu
,
D. C.
Ralph
, and
R. A.
Buhrman
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
057203
(
2019
).
26.
I.
Lee
,
Y.
Obukhov
,
A. J.
Hauser
,
F. Y.
Yang
,
D. V.
Pelekhov
, and
P. C.
Hammel
,
J. Appl. Phys.
109
,
07D313
(
2011
).
27.
G.
Wu
,
S. P.
White
,
W.
Ruane
,
J. T.
Brangham
,
D.
Pelekhov
,
F.
Yang
, and
P. C.
Hammel
(submitted).
28.
A. J.
Lee
,
A. S.
Ahmed
,
J.
Flores
,
S. D.
Guo
,
B. B.
Wang
,
N.
Bagues
,
D. W.
McComb
, and
F. Y.
Yang
,
Phys. Rev. Lett.
124
,
107201
(
2020
).
29.
M.
Harder
,
Y. S.
Gui
, and
C. M.
Hu
,
Phys. Rep.
661
,
1
(
2016
).
30.
M.
Bailleul
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
192405
(
2013
).
31.
I. S.
Maksymov
and
M.
Kostylev
,
J. Appl. Phys.
116
,
173905
(
2014
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.