Magnons and phonons are quanta of spin waves and lattice vibrations, respectively. They can be strongly hybridized to form magnon polarons, because of large magnetoelastic coupling in magnetic materials. This phenomenon was evidenced in neutron diffraction experiments revealing avoided crossings between the phonon and magnon branches. We used spin-resolved photoemission spectroscopy to investigate gadolinium and terbium. Both ferromagnetic rare earth metals have a comparable valence electronic structure but Gd is more like a Heisenberg ferromagnet where anisotropy is weak, while Tb holds much stronger magnetoscrystalline anisotropy. We found that magnon polarons play a crucial role in photohole relaxation in Tb due to the strong 4f spin-orbit coupling. The latter is very weak in Gd. Consequently, electron-phonon and electron-magnon scatterings lead to spin-dependent photohole relaxation rates in Gd. In contrast, the lifetime broadening of the occupied surface state in Tb is only weakly spin dependent and the mass enhancement parameter is twice the spin-averaged value of Gd. The formation of magnon polarons in Tb opens both minority and majority spin bands as decay channels. Besides local scattering processes driving ultrafast demagnetization, ultrafast spin transport is of enormous importance for understanding the mechanisms of many spin-dependent effects. Investigating laser-induced spin transport helps to obtain microscopic insights into ultrafast spin dynamics, and to fabricate high efficiency spintronics. We used time- and spin-resolved photoelectron spectroscopy to study an antiferromagnetically coupled Gd/Fe bilayer and observed an ultrafast 20% decrease of the spin polarization of the Gd surface state within the first 100 fs after optical excitation. The result was confirmed by a transient increase of the spin polarization in iron and corroborated by a decrease of the transient electron temperature. We conclude that spin transport across the interface drives magnetization dynamics in the Gd/Fe bilayer system. Fe acts as a very efficient spin-filter for spin-minority electrons. These findings contribute to a microscopic understanding of ultrafast spin dynamics and possible future spintronic applications.
Magnonen und Phononen sind Quanten von Spinwellen und Gitterschwingungen und können durch die starke magnetoelastische Kopplung in magnetischen Materialien stark hybridisieren, um Magnon-Polaronen zu bilden. Dieser Effekt wurde in Neutronenbeugungsexperimenten nachgewiesen, die vermied-ene Kreuzungen zwischen den Phonon- und Magnon-Zweigen aufzeigten. Wir haben spinaufgelöste Photoelektronenspektroskopie verwendet, um Gad-olinium und Terbium zu untersuchen, und festgestellt, dass Magnon-Polaronen eine entscheidende Rolle bei der Photoloch-Relaxation in Tb spielen, bedingt durch die starke $4f$-Spin-Bahn-Kopplung, die in Gd hingegen sehr schwach ist. Beide ferromagnetischen Seltene-Erden-Metalle haben eine vergleichbare Valenzelektronenstruktur, jedoch ist Gd eher ein Heisenberg-Ferromagnet mit schwacher Anisotropie, während Tb eine deutlich stärkere magnetokristal-line Anisotropie aufweist. Folglich führen Elektron-Phonon- und Elektron-Magnon-Streuungen in Gd zu spinabhängigen Photoloch-Relaxa-tionsraten. Im Gegensatz dazu ist die Linienverbreiterung des besetzten Oberflächenzustands in Tb nur schwach spinabhängig, und der Massenverstärkungsparameter \lambda ist doppelt so groß wie der spin-gemittelte Wert von Gd. Die Bildung von Magnon-Polaronen in Tb öffnet sowohl Minoritäts- als auch Majoritäts-Spinbänder als Zerfallskanäle.
Neben lokalen Streuprozessen, die zur ultraschnellen Entmagnetisierung beitragen, spielt der ultraschnelle Spintransport eine entscheidende Rolle für das Verständnis zahlreicher spinabhängiger Effekte. Die Erforschung des durch Laser angeregten Spintransports liefert mikroskopische Einblicke in die ultraschnelle Spindynamik und trägt zur Herstellung hocheffizienter spintronischer Bauelemente bei. Mittels zeit- und spinaufgeöoster Photoelektronenspektroskopie wurde ein antiferromagnetisch gekoppeltes Gd/Fe-Doppelschi-chtsystem untersucht. Dabei konnte ein ultraschneller Rückgang der Spinpolarisation um 20\% innerhalb der ersten 100\,fs nach optischer Anregung des Gd-Oberflächenzustands nachgewiesen werden. Dieses Ergebnis wurde durch einen transienten Anstieg der Spinpolarisation in Eisen sowie durch eine Abnahme der transienten Elektronentemperatur bestätigt. Die Ergebnisse belegen, dass der Spintransport an der Gd/Fe-Grenzfläche die Magnetisierungsdynamik des Systems wesentlich bestimmt. Eisen fungiert dabei als effizienter Spin-Filter für Spin-Minoritäts-Elektronen. Diese Erkenntnisse liefern einen Beitrag zum mikroskopischen Verständnis ultraschneller Spindynamik und eröffnen Perspektiven für zukünftige Anwendungen in der Spintronik.
