Magnetization dynamics in all-optical pump-probe experiments: spin-wave modes and spin-current damping

Abstract

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.