Magnetization dynamics in all-optical pump-probe experiments: spin-wave modes and spin-current damping
Magnetisierungsdynamik in Pump-Probe Experimenten: Spinwellen Moden und Spinstrom Dämpfung
von Marija Djordjević Kaufmann
Datum der mündl. Prüfung:2006-11-06
Erschienen:2007-02-19
Betreuer:Prof. Dr. Markus Münzenberg
Gutachter:Prof. Dr. Christian H. Back
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http://dx.doi.org/10.53846/goediss-2712
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Description:Dissertation
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Zusammenfassung
Englisch
In the field of spintronics, future development demands a new insight into the magnetization relaxation processes in the sub nanosecond regime. With the time resolution inherent, femtosecond laser pulses in all-optical pump-probe experiments can be used to study the basic time constants of ultrafast demagnetization, the magnetic precessional modes and the energy dissipation processes. This thesis investigates magnetization dynamics of thin nickel samples regarding coherent and incoherent relaxation processes. The intense 80fs laser pulse of an amplified Ti:Sapphire oscillator is used both to excite the sample and to monitor the magnetic relaxation using magneto-optical Kerr effect.Ultrafast demagnetization shortly after excitation by the pump pulse is investigated by varying the pump laser fluencies and the external magnetic field. Delayed remagnetization for highly excited samples on the timescales of few picoseconds is observed. This relaxation time describes the evolution of high energy spin waves to spin waves with lower k-vectors.Various magnetic modes are observed upon pump laser excitation depending on the thickness of the ferromagnet. The Kittel mode is present in all films. Standing spin wave modes up to the 3rd order are observed for samples thicker than the optical penetration depth of the pump laser. The dipole modes dominate the relaxation spectra for samples much thicker than the optical penetration depth. Frequency dispersion relations of these modes reveal the material constants (anisotropy constant, exchange constant). Gilbert damping parameter which describes magnetic energy dissipation is assigned to each mode.The energy dissipation processes in ferromagnetic/nonmagnetic double layers are investigated by means of extrinsic and spin-current induced damping. Two-magnon scattering increases the damping parameter for double layers with rough interface. The precession of the magnetization in the ferromagnetic layer pumps spins into the nonmagnetic layer and opens up a new energy dissipation channel. This additional Gilbert damping by spin currents is inversely proportional to the thickness of the ferromagnetic layer and observed only for the samples thinner than 10nm. The efficiency of the spin pumping is determined by the spin accumulation in the spin sink. Spin sink of 5nm dysprosium, palladium or chromium studied within the thesis induce a strong increase of the Gilbert damping parameter.
Keywords: magnetization dynamics; thin films; demagnetization; spin waves; precession modes; Gilbert damping
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Die Entwicklung der Spintronik verlangt einen neuen Einblick in die Relaxationsprozesse der Magnetisierung im Sub-Nanosekunden-Regime. In Pump-Probe Experimenten erhält man Zugang zu den grundlegenden Zeitkonstanten der ultraschnellen Entmagnetisierung, den magnetischen Präzessionsmoden, sowie elementaren Energiedissipationsprozessen.In dieser Doktorarbeit wird die Magnetisierungsdynamik dünner Nickelfilme in Bezug auf kohärente und nichtkohärente Relaxationsprozesse untersucht. Ein intensiver Laserpuls (80fs) eines verstärkten Ti:Saphir-Oszillators wird benutzt, um die Probe anzuregen und die magnetische Relaxation mit dem Magnetooptischen Kerreffekt zu verfolgen.Die ultraschnelle Entmagnetisierung direkt nach Anregung durch den Pumppuls wird untersucht, bei Variation der Pumpfluenz und des externen magnetischen Feldes. Eine verzögerte Remagnetisierung in stark aufgeregte Proben auf der Zeitskala von wenigen Pikosekunden wird beobachtet. Diese Relaxationszeit beschreibt die Entwicklung von hochenergetischen Spinwellen zu Spinwellen mit niedrigeren k-Vektoren.Abhängig von der Dicke des Ferromagneten wurden verschiedene Präzessionsmoden nach der Pumplaseranregung beobachtet. Die Kittel-Mode ist in allen Proben anwesend. Stehende Spinwellenmoden bis zur 3. Ordnung werden für Proben, dicker als die optische Eindringtiefe des Pumpstrahls, beobachtet. Die Dipolmoden dominieren die Relaxationsspektren für Proben mit Schichtdicken, die größer als die optische Eindringtiefe sind. Anhand der Frequenzdispersionsrelationen sind die Materialkonstanten (Anisotropiekonstante, Austauschkonstante) bestimmbar. Der Gilbert-Dämpfungsparameter der die Dissipation der Energie beschreibt, kann auch die jeweiligen Präzessionsmoden zugeordnet werden.Die Dissipationsprozesse in ferromagnetischen/nichtmagnetischen Doppelschichten werden in Bezug auf der extrinsische und Spinstrom induzierte Dämpfung untersucht. Zwei-Magnonen-Streuung erhöht die Dämpfungsparameter für Doppelschichten mit rauer Grenzfläche. Die magnetische Präzession in der ferromagnetischen Schicht pumpt die Spins in die nicht-magnetische Schicht und eröffnet einem neuen Energiedissipationskanal. Diese zusätzliche Gilbert-Dämpfung durch einen Spinstrom ist zur Dicke der ferromagnetischen Schicht umgekehrt proportional und kann für Proben dünner als 10nm beobachtet werden. Die Stärke des Spinstroms wird durch Spinakkumulation in der Spinsenke bestimmt. Die Spinsenke von 5nm Dysprosium, Palladium oder Chrom verursacht eine starke Zunahme des Gilbert-Dämpfungsparameters.
Schlagwörter: Magnetisierungsdynamik; dünne Schichten; Demagnetisierung; Spinwellen; Präzessionsmoden; Gilbert Dämpfung
