Physics of laser heated ferromagnets: Ultrafast demagnetization and magneto-Seebeck effect

Abstract

Die Einbindung des Spin-Freiheitsgrades in elektronische Schaltungen, z.B. als nichtflüchtige magnetische Speicher, erfordert die genaue Kenntnis der Geschwindigkeiten mit denen Informationen geschrieben werden können. Optische Pump-Probe Experimente mit in Ti:Saphir Lasern generierten ultrakurzen Pulsen geben einen Einblick in die Magnetisierungsdynamik auf der Femtosekundenzeitskala. Die Magnetisierungsdynamik wird durch das Erhitzen des Elektronensystems mit der Energie des intensiven Pump-Pulses ausgelöst, das System entmagnetisiert. Die Entmagnetisierung und anschließende Relaxation in den ferromagnetischen Ausgangszustand wird mittels Magneto-Optischem Kerr-Effekt mit viel schwächeren Probe-Pulsen ausgelesen. In dieser Arbeit wurde die ultraschnelle Entmagnetisierung und Relaxation in dünnen Nickelfilmen (2 nm bis 40 nm), angeregt mit Pumpfluenzen zwischen 10mJ/cm2 und 50mJ/cm2, untersucht. Die relative Entmagnetisierung wurde aus der Unterdrückung der Kerr-Rotation in Hysteresekurven ermittelt, die vor dem Heizvorgang und bei maximaler Entmagnetisierung aufgenommen wurden. Zusätzlich wurde im selben Messaufbau, mit einer anderen Messmethode, die Reflektivitätsdynamik gemessen, um die Elektronentemperatur während der Entmagnetisierung und des Relaxationsprozesses zu ermitteln. Für die Durchführung einer quantitativen Analyse wurde eine analytische Lösung des Drei-Temperaturmodels an die experimentellen Daten angepasst, um die Entmagnetisierungs- und Relaxationszeiten zu extrahieren. Mittels der Landau-Lifshitz-Bloch Gleichung kann die Magnetisierungsdynamik modelliert werden. Der einzig benötigte Parameter ist die Elektronentemperatur, welche unabhängig aus den Reflektivitätsmessungen bestimmt werden kann. Für den 15 nm Nickelfilm stimmen die modellierten Daten sehr gut mit den experimentellen Daten überein. Für Nickelfilme anderer Schichtdicken werden die Reflektivitätsdaten unter dem Gesichtspunkt diskutiert, inwieweit die extrahierte Elektronentemperatur für die Modellierung mit der Landau-Lifshitz-Bloch Gleichung geeignet ist, um diese mit den experimentellen Daten zu vergleichen. Zusätzlich werden weitere Modelle, namentlich das mikromagnetische Dreitemperaturmodell m3TM und die Spin Super-Diffusion zur Beschreibung der Magnetisierungsdynamik, diskutiert und verglichen. Der nächste Schritt, um den Energieverbrauch von Prozessoren zu senken ist es einen Weg zu finden, die im Betrieb entstehende Abwärme als zusätzliches Potential zu verwenden. Diese Technik wird zusammen mit der Ausnutzung des Elektronspins in elektronischen Schaltungen Spin Kaloritronik genannt. In diesem Zusammenhang sind magnetische Tunnelkontakte interessante Bauelemente, welche als nichtflüchtige Speicher mithilfe von im Betrieb generierten Temperaturgradienten durch die daraus erzeugten Thermospannungen ausgelesen werden können. Die erzeugten Spannungen hängen von der relativen Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten im Tunnelkontakt ab. Dieser Effekt wird magneto-Seebeck Effekt genannt. In dieser Arbeit wurde der magneto-Seebeck Effekt in CoFeB-MgO-CoFeB Tunnelelementen untersucht, indem der Temperaturgradient über dem Tunnelelement durch optisches Heizen mit einem Laser erzeugt wurde. Der Werdeguang und die Entwicklung des experimentellen Aufbaus ist im Detail beschrieben. Die experimentellen Daten werden mit ab-initio Kalkulationen des magneto-Seebeck Effektes verglichen.