Magnetization and elastic dynamics in nanostructured metamaterials
Maria Mansurova
Doctoral thesis
Date of Examination:
2016-02-19
Date of issue:
2016-03-24
Advisor:
Münzenberg, Markus Prof. Dr.
Referee:
Münzenberg, Markus Prof. Dr.
Referee:
Krebs, Hans-Ulrich Prof. Dr.
Persistent Address: http://hdl.handle.net/11858/00-1735-0000-0028-870C-B
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Abstract
English
In this work, magnetization and elastic dynamics in nano-structured artificial materials have been investigated in an all-optical, time-resolved, pump-probe experimental setup. Rich dynamics are brought about by means of the ultrafast laser excitation, that generates a picosecond heat gradient. This induces coherent, dynamic processes that are observed with a second, time-delayed probe pulse. In a two-dimensional magnonic crystal consisting of a sub-micron antidot square lattice on a CoFeB ferromagnetic thin film, spin-wave modes with a weak frequency dependence on the applied magnetic field are found. This suggests spin-wave localization in regions of inhomogeneous internal field. Elastic dynamics on the same structure show frequencies proportional to characteristic lattice lengths (distance between antidots and their size) pointing to the excitation of surface stress waves. On multilayer CoFeB/MgO structures, that have matching acoustic impedance, both surface and bulk elastic waves were detected in good qualitative agreement with theory. Elastic dynamics measurements in transmission and reflection geometries show that the amplitude of the high-frequency surface mode can be efficiently suppressed by breaking the periodicity of the multilayer. In addition, in the acoustically mismatched W/PC multilayers the excitation of bulk-mode frequencies is hindered.
Keywords: magnetization dynamics; magnonic crystal; elastic dynamics; multilayers; antidot lattice; CoFeB; spin wave; acoustic impedance
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In dieser Arbeit wurde magnetische und elastische Dynamik in nanostrukturierten künstlichen Materialien mit Hilfe eines optischen, zeitaufgelösten Pumpprobe
Messaufbaus untersucht. Die Absorption der ultraschnellen Laserpulse
erzeugt einen Wärmegradienten auf einer Zeitskala von Pikosekunden. Dieser
induziert kohärente dynamische Prozesse, welche mit einem zweiten, zeitverzögerten Puls beobachtet werden. In einem zweidimensionalen magnonischen
Kristall, bestehend aus einem submikrometer großen Antidotgitter auf
einer ferromagnetischen CoFeB Schicht, können Spinwellenmoden beobachtet
werden, die eine schwache Frequenzabhängigkeit vom externen magnetischen
Feld aufweisen. Dies lässt vermuten, dass Spinwellen in der Nähe von Inhomogenitäten des internen Feldes lokalisieren. Elastische Dynamik auf denselben
Strukturen zeigt Frequenzen proportional zu charakteristischen Strukturgrößen (Antidotabstand und Antidotgröße), was auf die Anregung von Spannungswellen
auf der Oberfläche hindeutet. Auf CoFeB/MgO Schichtstapeln
mit ähnlicher akustischer Impedanz, können sowohl Oberflächenwellen als auch
Wellen im Volumen in guter Übereinstimmungmit der Theorie beobachtet werden.
Anregung der elastischen Dynamik in Reflektions- und Transmissionsgeometrie
zeigen, dass durch das Brechen der Periodizität des Schichtstapels
die Amplitude der hochfrequenten Oberflächenwelle effektiv unterdrückt wird.
Außerdem sind im W/PC Schichtstapeln mit hohem akustischem Versatz innere Wellen
unterdrückt.
