Studying all-optical switching in GdFe using both single and double laser pulses

Abstract

This thesis investigates all-optical switching and domain wall (DW) dynamics in GdFe ferrimagnetic alloys following femtosecond laser excitation. Advanced magnetic imaging techniques, including photoemission electron microscopy (PEEM) and Kerr microscopy, are used to capture the magnetic behavior of the sample. The study examines single-pulse all-optical toggle switching, where the magnetization of the films is reversed by a single p-polarized laser pulse, independent of the initial magnetization direction. Specifically, we investigate the mechanisms behind deviations from deterministic toggle switching, especially near magnetic domain walls. The study reveals that non-deterministic switching arises from intrinsic factors, such as domain wall elasticity and laser-induced motion related to the sample itself, as well as extrinsic factors, like laser pulse variations, which depend on the setup. Further, double pulse excitation experiments probe the fastest toggle-switching frequency, where two laser pulses with an adjustable time delay between them excite the sample. By using different fluence ratios of the pulses as a function of the time delay, the experiments explore the role of fluence in re-switching. It was found that re-switching occurs within a time delay between 4 and 40 ps after the first pulse, with optimal conditions when the first pulse is just above the single-pulse switching threshold and the fluence of the second pulse is 0.5–0.7 times that of the first pulse. Atomistic spin dynamic simulations support these findings, offering insights into cooling dynamics where re-switching requires that electron and lattice temperatures equilibrate. We also investigated the behavior of the sample at time delays of 2 ps or less between pulses, following double-pulse switching at two temperatures, one below (70K) and one above (room temperature) the magnetic compensation temperature. Findings indicate that the threshold fluence required to induce multi-domain formation or demagnetization varies with the sample’s initial temperature, with more deterministic toggle switching observed at the lower temperature of 70K. Notably, the switching probability rises drastically at these short time delays, where the second pulse significantly amplifies the effect of the first, even if one or both pulses are below the threshold fluence of single pulse switching. Additionally, we examine DW motion in GdFe thin films with an in-plane easy axis under laser excitation. Depending on the DW’s position relative to the laser spot, either entropic torque or magnon spin transfer torque may dominate the motion. Although we did not identify a single, consistent direction of DW movement, it is evident that for DW motion, the DWmust be located within the (σx) region of the laser spot. Together, these findings advance our understanding of high-speed, energy-efficient magnetic switching and DW control, with promising implications for ultrafast magnetic storage technologies.

In dieser Arbeit werden die optische Magnetisierungsumkehr und die Dynamik magnetischer Dom¨anenwande in ferrimagnetischen GdFe-Legierungen nach Femtosekunden-Laseranregung untersucht. Moderne magnetische Bildgebungsverfahren, einschließlich Photoemissions-Elektronenmikroskopie (PEEM) und Kerr-Mikroskopie, werden zur Untersuchung des magnetischen Verhaltens der Probe eingesetzt. In der Arbeit wird das optische Hin-und-Her-Schalten durch einzelne Laserpulse untersucht, bei dem die Magnetisierung der Filme durch einzelne p-polarisierte Laserpulse umgekehrt wird, unabh¨angig von der urspr ¨unglichen Magnetisierungsrichtung. Wir untersuchen die Mechanismen, die zu Abweichungen von einem deterministischen Schaltverhalten f¨uhren, insbesondere in der N¨ahe von magnetischen Dom¨anenw¨anden. Es wird gezeigt, dass nicht-deterministisches Schalten auf intrinsische Faktoren wie die Elastizit¨at der Dom¨anenw¨ande und die laserinduzierte Dom¨anenwandbewegung zur¨uckzuf¨uhren ist, aber auch durch extrinsische Faktoren, die durch den Versuchsaufbau gegeben sind wie zum Beispiel Puls-zu-Puls-Variationen in den Laserpulsparametern, beeinflusst wird. Dar¨uber hinaus wird in Experimenten mit Doppelpulsanregung, in denen die Probe durch zwei Laserpulse mit einstellbarer Zeitverz¨ogerung angeregt wird, untersucht, was die h¨ochste Umschaltfrequenz f¨ur optische Magnetisierungsumkehr ist. Der Einfluss der Anregungsflussdichte auf das schnelle Zur¨uckschalten der Magnetisierung wird f¨ur unterschiedliche Kombinationen der Flussdichte der beiden Pulse in Abh¨angigkeit von der Zeitverz¨ogerung zwischen den Pulsen untersucht. Es wurde festgestellt, dass das Zur¨uckschalten innerhalb einer Zeitspanne der Verz¨ogerung des zweiten Pulses zwischen 4 und 40 ps nach dem ersten Puls erfolgt, wobei optimale Bedingungen herrschen, wenn der erste Puls knapp ¨uber dem Schwellenwert f¨ur die Einzelpulsummagnetisierung liegt und die Flussdichte des zweiten Pulses das 0.5- bis 0.7-fache des ersten Pulses betr¨agt. Atomistische spindynamische Simulationen best¨atigen diese Ergebnisse und liefern Einblicke in die Abk¨uhlungsdynamik; so m¨ussen f¨ur das schnelle Zur¨uckschalten Elektronen- und Gittertemperaturen angeglichen sein. Wir untersuchen auch das Verhalten der Probe bei Doppelpuls- Anregungen mit Zeitverz¨ogerungen von 2 ps oder weniger zwischen den Pulsen bei zwei Temperaturen, einer unterhalb (70K) und einer oberhalb (Raumtemperatur) der magnetischen Kompensationstemperatur. Die Ergebnisse zeigen, dass die Schwellenflussdichte, oberhalb derer Multidom¨anenbildung oder Entmagnetisierung auftritt, von der Anfangstemperatur der Probe abh¨angt, wobei bei der niedrigeren Temperatur von 70K ein deterministischeres Schalten beobachtet wird als bei der h¨oheren. Bemerkenswert ist, dass die Schaltwahrscheinlichkeit bei diesen kurzen Zeitverz¨ogerungen drastisch ansteigt, wobei der zweite Puls die Wirkung des ersten erheblich verst¨arkt, selbst wenn einer oder beide Pulse unterhalb der Schwellenflussdichte f¨ur Einzelpulsschalten liegen. Außerdem untersuchen wir die Bewegung der Dom¨anenwand in d¨unnen GdFe-Filmen mit einer leichten Magnetisierungsrichtung in der Filmebene unter Laseranregung. Abh¨angig von der Position der Dom¨anenwand relativ zum Laserspot kann entweder das entropische Drehmoment oder das Magnon-Spin-Transfer-Drehmoment die Dom¨anenwandbewegung dominieren. Obwohl wir keine einheitliche, konsistente Richtung der Dom¨anenwandbewegung identifizieren konnten, ist es offensichtlich, dass sich die Dom¨anenwand f¨ur eine Dom¨anenwandbewegung innerhalb der (σx)-Region des Laserspots befinden muss. Zusammenfassend erweitern diese Ergebnisse unser Verst¨andnis von schnellem, energieeffizientem magnetischem Schalten und der Kontrolle von magnetischen Dom¨anenw¨anden, was vielversprechende Konsequenzen f¨ur die weitere Entwicklung von ultraschnellen magnetischen Speichertechnologien hat.