Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik ferromagnetischer Schichtsysteme

Abstract

This work is concerned with the ultrafast magnetization dynamics found in rareearth and transition metals. In the first part, we have investigated the magnetization dynamics of 60 nm Gd(0001) grown on W(110) in XMCD in reflection. Our analysis shows that the ultrafast timescale of demagnetization, which was found by previous authors in 10 nm thick Gd films [2, 20] can be attributed to effects at the Gd/W interface, which we interpret as magnon driven spin currents. In the second part of the work, we have applied both XRMR and XMCD in reflection to study the magnetic structure of the synthetic ferrimagnet Fe/Gd grown on W(110). We find clear signs of a twisted magnetization state, as proposed by Camley and Tilley [10, 11] in which both layers form a domain-wall-like structure with the magnetic moments being aligned almost perpendicular to the field at the Fe/Gd interface and tilting stepwise towards field-aligned throughout both layers. We further find very diverse magnetization dynamics in XMCD in reflection, ranging from an increase of the detected magnetization component on a slow ps-timescale to all-optical switching of only the Gd component within less than 1 ps. The differences are caused by the temperature dependent orientation of the magnetization in the twisted state. As it can likewise be manipulated by the external magnetic field strength, synthetic ferrimagnets offer a great amount of controllability of their magnetization dynamics.

Diese Arbeit befasst sich mit der ultraschnellen Magnetisierungsdynamik in Seltenerd- und Übergangsmetallen. Im ersten Teil untersuchten wir mittels XMCD in Reflexion die Magnetisierungsdynamik von 60 nm Gd(0001) auf W(110). Unsere Analyse zeigt, dass die ultraschnelle Zeitskala der Entmagnetisierung, die von früheren Autoren in 10 nm dicken Gd-Schichten [2, 20] gefunden wurde, auf Effekte an der Gd/W-Grenzfläche zurückzuführen ist, die wir als magnonengetriebene Spinströme interpretieren. Im zweiten Teil der Arbeit wandten wir sowohl XRMR als auch XMCD in Reflexion an, um die magnetische Struktur des synthetischen Ferrimagneten Fe/Gd, gewachsen auf W(110), zu untersuchen. Wir finden deutliche Anzeichen für einen verdrehten Magnetisierungszustand, wie er von Camley und Tilley [10, 11] vorhergesagt wird. In diesem Zustand bilden beide Schichten eine domänenwandartige Struktur, wobei die magnetischen Momente fast senkrecht zum Feld an der Fe/Gd- Grenzfläche ausgerichtet sind und sich in beiden Schichten schrittweise in Richtung Feldausrichtung neigen. Wir finden weiterhin sehr unterschiedliche Magnetisierungsdynamiken in XMCD in Reflexion, die von einem Anstieg der detektierten Magnetisierungskomponente auf einer langsamen ps-Zeitskala bis hin zu einem rein optischen Umschalten der Gd-Komponente innerhalb von weniger als 1 ps reichen. Die Unterschiede werden durch die temperaturabhängige Magnetisierungsorientierung im verdrehten Zustand verursacht. Da diese Orientierung ebenfalls durch die äußere Magnetfeldstärke manipuliert werden kann, bieten synthetische Ferrimagnete eine herausragende Kontrollierbarkeit ihrer Magnetisierungsdynamik.