Emergent magnetic effects in spintronic devices with 3D chiral geometries

Abstract

Three-dimensional spintronic devices enable significant improvements in data storage density and unique 3D geometry-driven effects but require new 3D fabrication frameworks. In this thesis, we develop a simplified fabrication workflow based on multi-photon lithography (MPL) to fabricate spintronic devices with freeform 3D structures. The magnetic properties of new chiral 3D spintronic devices are shown to be influenced by the 3D geometry, leading to chiral symmetry breaking. In one study, we observe that torsion modulates the current-induced domain-wall (DW) motion over suspended ribbons, realizing a DW filter. In another study, coil-shaped devices display asymmetric anisotropic magnetoresistance responses that are mirrored for devices of opposite chirality. Finally, we demonstrate real-time characterization and control of an MPL process, as well as the 3D reconstruction of the fabricated structure.

Dreidimensionale Spintronik ermöglicht signifikante Verbesserungen der Datenspeicherdichte und einzigartige 3D-geometrische Effekte, erfordert aber neue 3D-Fertigungsverfahren. In dieser Arbeit wird ein vereinfachter Herstellungsprozess basierend auf Multiphotonenlithographie (MPL) entwickelt, um spintronische Bauelemente mit frei geformten 3D-Strukturen herzustellen. Die Verwendung von chiralen 3D-Geometrien beeinflusst die magnetischen Eigenschaften dieser spintronischer Bauelemente, was zu chiralen Symmetriebrüchen führt. Zunächst wird der Effekt der Torsion hängender Bänder auf deren strominduzierte Domänenwandbewegung beschrieben, wodurch ein DW-Filter realisiert wird. Weiterhin zeigen spulenförmige Bauelemente eine Asymmetrie im anisotropen Magnetowiderstand, welche in Bauelementen mit entgegengesetzter Chiralität gespiegelt wird. Schließlich wird die Charakterisierung und Kontrolle eines MPL-Prozesses in Echtzeit sowie die 3D-Rekonstruktion der hergestellten Struktur demonstriert.