Spinabhängige Lebensdauer heißer Elektronen in 3d-Ferromagneten

Abstract

Die spinabhängigen Lebensdauern angeregter Elektronen für Energien von wenigen hundert meV oberhalb der Fermi-Energie, sogenannte heiße Elektronen, in den 3d-Ferromagneten Eisen, Kobalt und Nickel werden seit mehr als einem Jahrzehnt kontrovers diskutiert. Seit den ersten — und bis heute einzigen — Messungen aus den Jahren 1997 und 1998, wurden verschiedene theoretische Modelle angewandt um die experimentell bestimmten Lebensdauern zu bestätigen. Die Diskrepanz zwischen den gemessenen und vorhergesagten Werten zur Lebensdauer wird dabei umso größer, je näher sich die heißen Elektronen an der Fermi- Energie befinden. Insbesondere sind die berechneten Lebensdauern der Elektronen mit Majoritätsspin deutlich zu groß, wodurch auch das Lebensdauerverhältnis τ↑/τ↓ größer ist als das experimentell bestimmte. Trotz der hohen technologischen Bedeutung durch den giant magnetoresistance (GMR) Effekt und für die Spintronik und trotz fundamentaler Bedeutung für das physikalische Verständnis — wichtige Aspekte der zugrundeliegenden Prozesse sind noch nicht vollständig verstanden — ist die experimentelle Datenbasis bisher nicht ausreichend, um erweiterte theoretische Modelle zu entwickeln, die die Lebensdauer heißer Elektronen über einen weiten Energiebereich korrekt vorhersagen. In dieser Arbeit wurden die spinabhängigen Lebensdauern heißer Elektronen in den 3d-Ferromagneten direkt mittels bichromatischer Zwei- Photonen-Photoemission gemessen, um die experimentelle Datenbasis für Energien näher am Fermi-Niveau zu vervollständigen. Die Ergebnisse werden sowohl mit theoretischen Vorhersagen als auch bisherigen experimentellen Daten verglichen. In dieser Arbeit wurde, im Gegensatz zu früheren Experimenten, kein Cäsium zur Verringerung der Austrittsarbeit der untersuchten Metalle verwendet. Daher konnte der Einfluß von Spin-Umklapp-Prozessen auf die Lebensdauer heißer Elektronen mittels eines Oberflächenzustands auf Kobalt zum ersten mal nachgewiesen werden. Bei solchen Prozessen regt ein relaxierendes Minoritätselektron ein Majoritätselektron an und umgekehrt. Die Hauptursache für den großen Unterschied in den theoretisch vorhergesagten Lebensdauern für Minoritäts- und Majoritätselektronen liegt im großen Unterschied in den Zustandsdichten nahe der Fermi-Energie und den dadurch bedingten unterschiedlichen Streuwahrscheinlichkeiten. Der starke Einfluß von Spin- Umklapp-Prozessen ist eine sinnvolle Erklärung für die im Experiment gefundenen, verglichen mit theoretischen Vorhersagen, kleineren Werten für das Lebensdauerverhältnis.

The spin-dependent lifetimes of electrons excited to energies of a few hundred meV above the Fermi energy, the so-called hot electrons, in the metallic 3d ferromagnets iron, cobalt and nickel have been controversely discussed for more than a decade. Since the first—and up to now only—direct measurements from the year 1997 and 1998, various theoretical models have been applied to predict lifetimes with moderate success. The discrepancies between the measured and calculated lifetimes increase as the energy of the hot electrons decreases with respect to the Fermi energy. Especially the calculated lifetimes of the majority hot electrons are far too long and therefore the predicted lifetime ratio τ↑/τ↓ is almost one order higher than the one found experimentally. Despite of its impact on technological applications through the associated giant magnetoresistance (GMR) effect as well as spintronics and despite of its fundamental importance—key aspects of the underlying physical processes are yet not fully understood—the experimental data basis is too small to develop improved theoretical models that predict the lifetimes of hot electrons correctly over a broad energy range. In this work, the spin- dependent lifetimes of hot electrons in the 3d ferromagnets have been measured directly, via bichromatic two-photon photoemission, in order to extend the experimental data range to energies closer to the Fermi level and to compare it with existing experimental data as well as theoretical predictions. Here, in contrast to previous experiments, no cesium was required to lower the work function of the investigated metals. Therefore, the influence of spin-flip scattering processes on the lifetimes of hot electrons via a cobalt surface state with minority character could be investigated for the first time. Via those scattering processes, a relaxing minority electron excites a majority electron and vice versa. The main reason for the large lifetime ratio predicted by theory has its origin in the large difference in the density of states for minority and majority electrons near the Fermi level and the therefore highly different scattering probabilities. A strong influence of spin-flip scattering processes most likely explains the smaller values of the lifetime ratios found in the experiments compared to ab initio theory.