dc.contributor.author
Alekhin, Alexandr
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:27:50Z
dc.date.available
2016-03-02T13:52:01.085Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/7940
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-12139
dc.description.abstract
This work investigates ultrafast magnetization dynamics driven by hot carrier
(HC) transport in metallic multilayer (ML) structures using femtosecond time-
resolved linear and nonlinear optical spectroscopy. The linear magneto-optical
Kerr effect (MOKE) and magneto-induced second harmonic (SH) generation (mSHG)
have been utilized to study optically induced spin dynamics in highly excited
state of matter with 20-femtosecond (fs) time resolution approaching the time
scales of underlying elementary processes in metals. The spin transfer from a
ferromagnet to a noble metal or from one ferromagnet to another one through a
non-magnetic spacer by means of HC transport is of particular interest in this
thesis. Investigation of these effects is of great importance for
understanding of ultrafast spin dynamics and has a potentially high impact on
future spintronic devices. Epitaxial Au/Fe/MgO(001) and Fe/Au/Fe/MgO(001)
structures have been used as basic model systems, where in the latter case one
Fe layer serves as a spin-emitter and another Fe layer serves as a spin-
collector. As a first step towards understanding of the spin transfer in
metallic MLs, HC transport has been investigated in simpler two-layer
Au/Fe/MgO(001) structures. It has been shown that pumping the Fe film through
a transparent MgO substrate leads to the generation of a spin current (SC)
flowing from the ferromagnetic film into the non-magnetic layer. This
phenomenon is an analog of the spin Seebeck effect, but in this case the SC is
dominated by non-equilibrium (NEQ) HCs propagating in Au in a quasi-ballistic
regime. According to the first principle quantum transport calculation, the
emission of majority electrons from the Fe film into the Au layer is much more
efficient than the emission of other HCs, which provides a net flux of the
positive SP into the bulk of Au. Quantitative analysis of the MOKE signals,
measured from the Fe side of Au/Fe/MgO(001) structures with different Fe
thicknesses, reveals a considerable contribution of the HC transport to
ultrafast demagnetization of the Fe film, followed by a build-up of transient
magnetization in the Au layer which also contributes to the MOKE signal.
Finally, magnetization dynamics induced in a ferromagnet by the injection of
the spin-polarized HCs has been studied on three-layer Fe/Au/Fe/MgO(001)
structures. Owing to different coercitivities of the Fe films, the
magnetizations in the spin-emitter and the spin-collector can be aligned
parallel, antiparallel or orthogonal to each other. For the orthogonal
alignment, it has been demonstrated that the optically-driven SC pulse excites
standing spin waves in the spin-collector via the spatially non-uniform spin
transfer torque (STT) mechanism. Realization of different mutual orientations
of the external magnetic field and the magnetizations in the spin-emitter and
the spin-collector makes it possible to disentangle STT from laser-induced
heating of the sample. Moreover, in the analysis of the mSHG response measured
in different magnetic geometries it has been undoubtedly proven that the SC
pulse gives rise to the SH field originating in the bulk. All data are in a
good agreement with the experimental results obtained on two-layer structures
and sustains the model of spin-polarized HC transport.
de
dc.description.abstract
Diese Arbeit umfasst die Untersuchung der ultraschnellen
Magnetisierungsdynamik durch Transport heißer Ladungträger (HC) in
metallischen Multilayer(ML)-Strukturen anhand zeitaufgelöster linearer und
nichtlinearer optischer Femtosekundenspektroskopie. Der lineare magneto-
optische Kerr-Effekt (MOKE) und die magnetisch induzierte Erzeugung der
zweiten Harmonischen (mSHG) wurden verwendet, um lichtinduzierte Spindynamik
in hoch angeregten Zuständen der Materie mit 20 Femtosekunden (fs)
Zeitauflösung zu untersuchen, was den Zeitskalen zugrundeliegender
Elementarprozesse in Metallen entspricht. Der Spintransfer von einem
Ferromagneten zu einem Edelmetall, oder von einem Ferromagneten zum anderen
Ferromagneten mittels HC-Transport durch eine nichtmagnetische Zwischenschicht
hindurch ist von besonderem Interesse in dieser Arbeit. Untersuchungen dieser
Effekte sind von großer Bedeutung für das Verständnis der ultraschnellen
Spindynamik, und die gewonnenen Erkenntnisse haben möglicherweise einen großen
Einfluss auf zukünftige Spintronik-Geräte. Als Modellsysteme wurden
epitaktische Au/Fe/MgO(001) und Fe/Au/Fe/MgO(001) Strukturen verwendet, wobei
im letztgenannten Fall eine Fe-Schicht als Spinemitter und die andere Fe-
Schicht als Spinkollektor dient. Als erster Schritt zum Verständnis des Spin-
Transfers in metallischen MLs, wurde der HC Transport in einfachen
Zweischicht-Au/Fe/MgO(001)-strukturen untersucht. Es wurde gezeigt, dass die
optische Anregung von Fe zur Erzeugung eines Spin-Stroms führt, der von der
ferromagnetischen Schicht in die nicht-magnetische Schicht fließt. Dieses
Phänomen ist ein Analogon zum Spin-Seebeck-Effekt, wobei in diesem Fall der
Spin-Strom in Gold von nicht-gleichgewichts HCs dominiert wird, die sich im
quasi-ballistichen Regime bewegen. Die quantitative Analyse der MOKE Signalen,
die von der Fe-Seite der Au/Fe/MgO(001)-Strukturen mit unterschiedlichen Fe-
Dicken gemessen wurden, zeigt den bemerkbaren Beitrag des HC-Transports zur
ultraschnellen Entmagnetisierung des Fe-Films, gefolgt von einer
vorübergehenden Magnetisierung der Au-Schicht, die zusätzlich zum MOKE Signal
beiträgt. Abschließend wurde Magnetisierungsdynamik, die in einem
Ferromagneten mittels der Injektion von spinpolarisierten HCs induziert wird,
an Dreischicht-Fe/Au/Fe/MgO(001)-strukturen untersucht. Aufgrund
unterschiedlicher Koerzitiv-kräfte in den Fe-Filmen können die
Magnetisierungen im Spinemitter und im Spinkollektor parallel, antiparallel
oder orthogonal zueinander ausgerichtet werden. In der orthogonalen
Ausrichtung zeigt es sich, dass der optisch erzeugte Spinstrompuls stehende
Spinwellen im Spinkollektor erzeugt, die durch das räumlich inhomogen Spin-
Transfer-Drehmoment (STT) induziert werden. Die Realisierung verschiedener
gegenseitigen Orientierungen der äußeren Magnetfeldes und der Magnetisierungen
im Spin-emitter und im Spin-kollektor ermöglicht es, das Signal des STT
unabhängig vom Signal der laserinduzierter Erwärmung der Probe zu messen.
Außerdem in der Analyse der mSHG-Antwort, die in verschiedenen magnetischen
Geometrien gemessen wurde, kann es deutlich bewiesen werden, dass der
Spinstrompuls resultiert im SH-Feld, das im Volum erzeugt wird. Alle Daten
zeigen eine gute Übereinstimmung mit den erhaltenen Versuchsergebnissen der
Zweischichtstrukturen und untermauern somit das Modell des spinpolarisierten
HC-Transports.
de
dc.format.extent
VII, 167 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
ultrafast spin transport
dc.subject
magnetization dynamics
dc.subject
nonlinear optics
dc.subject
optical pump-probe experiment
dc.subject
spin transfer torque.
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::538 Magnetismus
dc.title
Ultrafast hot carrier driven magnetization dynamics
dc.contributor.contact
alekhin@fhi-berlin.mpg.de
dc.contributor.contact
a.i.alekhin@gmail.com
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martin Wolf
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Martin Weinelt
dc.date.accepted
2016-02-04
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000101493-2
dc.title.translated
Ultraschnelle Magnetisierungsdynamik durch Transport heißer Ladungträger
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000101493
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000018783
dcterms.accessRights.dnb
free
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open access