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Separation von laserinduzierten- ultraschnellen Transporteffekten und Spin-Flip-Streuung in Co/Cu(001) - Eine schichtdickenabhängige Magnetisierungsprofilanalyse mittels magnetooptischen Methoden

Wieczorek, Jens

Zielsetzung dieser Arbeit ist die Erforschung von laserinduzierter Magnetisierungsdynamik auf Piko- und Subpikosekunden-Zeitskalen von ferromagnetischen Materialien, insbesondere die Separation der wirkenden Mechanismen und deren zeitliches Auftreten nach der Laseranregung. Hierfür wurde die schichtdickenabhängige Spindynamik von Co/Cu(001) mit Hilfe des magnetooptischen Kerreffekts (MOKE) und der Erzeugung der zweiten optischen Harmonischen (SHG) untersucht. Zur Interpretation der Messungen wurde eine neuartige Analysemethode entwickelt. Um Rückschlüsse über die dominierenden Mechanismen der Magnetisierungsdynamik zu bekommen, werden theoretische Betrachtungen und Simulationen gemacht und die Auswirkungen der Mechanismen auf das Magnetisierungsprofil untersucht. Als Mechanismus werden Spin-Flip-Streuung und spinpolarisierter Transport untersucht, die derzeit kontrovers in der Forschung diskutiert werden. Durch die Betrachtungen und Simulationen ergeben sich Magnetisierungsprofile für die Mechanismen, die sich fundamental voneinander unterscheiden. Spin-Flip-Streuung führt zu einer stärkeren Entmagnetisierung im Bereich der Oberfläche im Vergleich zur Grenzfläche zum Substrat, wohingegen beim spinpolarisertem Transport auch eine stärkere Entmagnetisierung von grenzflächennahen Bereichen entstehen kann. Zur Identifizierung der unterschiedlichen Magnetisierungsprofile werden die relativen laserinduzierten Variationen der Kerrrotation und Kerrelliptizität untereinander verglichen. Die Observablen weisen unterschiedliche Tiefensensitivitäten auf und ermöglichen somit eine zeitliche Separation der Magnetisierungsprofile. Für Schichtdicken d≥10 nm kann eine stärkere Entmagnetisierung von grenzflächennahen im Vergleich zu oberflächennahen Bereichen, während das elektronische System nicht im thermischen Gleichgewicht ist, identifiziert werden. Nach der Thermalisierung des elektronischen Systems stellt sich ein Magnetisierungsprofil ein, das ein invertiertes Verhalten zeigt. Für d<10 nm wird dasselbe Verhalten nach der Thermalisierung wie für d≥10 nm beobachtet. Durch die Analyse der Magnetisierungsprofile kann spinpolarisierter Transport während der Thermalisierung des elektronischen Systems und Spin-Flip-Streuung nach der Thermalisierung als dominierender Mechanismus der Spindynamik identifiziert werden. Durch Simulation der Magnetisierungsdynamik werden diese Ergebnisse bekräftigt. Ergänzende zeitaufgelöste SHG-Messungen, in einen Schichtdickebereich von d≤4 nm, erweitern das Verständnis über die wirkenden Mechanismen in der Magnetisierungsdynamik. Für diesen Bereich ist die mittlere freie Weglänge der Elektronen geringer als die Schichtdicke, wodurch der Transport von Elektronen stark beeinflusst wird. Anders als für d≥10 nm werden durch Transporteffekte oberflächennahe Bereiche stärker entmagnetisiert als grenzflächennahe Bereiche. Dies wird durch die Analyse der Interferenz von Oberflächen- und Grenzflächensignalen der zweiten Harmonischen gezeigt.

The goal of the present work is the investigation of laser induced magnetization dynamics at pico- and subpico-second timescales in ferromagnetic materials, especially the separation of the acting mechanisms and their transient behaviour. Therefore the thickness dependent magnetization dynamics of Co/Cu(001) are measured with the magneto-optical Kerr effect (MOKE) and the generation of the second harmonic (SHG). For the interpretation a new analysis method was developed. Theoretical considerations and simulations were performed of the mechanisms and the effects on the magnetic profile in the sample. The mechanism of Spin-Flip scattering and spin polarized transport are investigated, which lead to fundamental difference in the magnetic profiles. These mechanisms are controversially discussed in the recent research. Spin-Flip scattering leads to a stronger demagnetization of areas near the surface than areas at the interface to the substrate, whereas spin polarized transport can lead to a stronger demagnetisation for areas near the interface too. For the identification of the different magnetic profiles, the relative laser induced variations of the Kerr rotation and Kerr ellipticity are compared. Due to the different depth sensitivities of the observables, the temporal separation of the different kind of profiles is possible. For thicknesses d≥10 nm a stronger demagnetisation of areas near the interface compared to areas near the surface is found, when the electronic system is not thermalized. After thermalisation the magnetic profiles is inverted. For d<10 nm the same behaviour after the thermalisation could be found as for d≥10 nm. With this analysis of the magnetic profiles, spin polarized transport, when the electronic system is not thermalized and spin-flip scattering after thermalization were identified as the dominant mechanism for the magnetization dynamics. These results are confirmed with magnetization dynamics simulations. Additionally time resolved SHG-measurements, in a thickness range of d≤4 nm, expand the understanding of the magnetization dynamics. For this range the mean free path of the electrons are smaller than the sample thickness, by which the transport is strongly influenced. Other than for d≥10 nm transport effects also demagnetize areas near the surface stronger than areas near the interface. In order to derive this, the interference of the SHG-signals from the surface and the interface was analyzed.

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Wieczorek, Jens: Separation von laserinduzierten- ultraschnellen Transporteffekten und Spin-Flip-Streuung in Co/Cu(001) - Eine schichtdickenabhängige Magnetisierungsprofilanalyse mittels magnetooptischen Methoden. 2015.

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