dc.contributor.author
Schmidt, Anke Birte
dc.date.accessioned
2018-06-07T21:47:38Z
dc.date.available
2008-01-21T00:00:00.649Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/8429
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-12628
dc.description
Titel i
Kurzfassung v
Abstract vii
1 Introduction 1
2 Setup 5
2.1 Laser 5
2.1.1 Details of the laser setup 7
2.2 Chamber 12
2.3 Samples 15
3 Fundamentals 19
3.1 Image-potential states 19
3.2 . . . on ferromagnetic surfaces 21
3.3 Spin-resolved two-photon photoemission 22
3.4 Excitation into image-potential states 26
3.5 Sampling the band structure 28
3.6 Dichroism 32
4 Dynamics 37
4.1 Optical Bloch Equations 37
4.2 Spin-dependent lifetimes 44
4.3 Spin-resolved quantum beats 51
4.4 Energy-resolved measurements revisited 53
4.4.1 Initial state effect 55
4.4.2 Spin-dependent dephasing 58
4.5 Defect scattering on cobalt 68
4.6 Conquering k-space 70
4.6.1 Spin-dependent resonant interband scattering 71
4.6.2 Spin-dependent intraband scattering 76
4.6.3 Magnon-enhanced exchange scattering 87
5 Conclusion 93
Bibliography 97
Publications 115
Danksagung 117
dc.description.abstract
Experimental access to the spin-dependent decay processes of low-energy
electrons in d band ferromagnets remains a challenge despite advanced
techniques such as spin-polarised electron energy loss spectroscopy or spin-
resolved two-photon photoemission of bulk states. To combine the advantages of
both methods, we built up a spin-, time-, angle- and energy-resolved
bichromatic two-photon photoemission experiment to research spin-dependent
electron dynamics. As a model system we investigated image-potential states on
ultrathin iron and cobalt films on Cu(100). This class of surface states is
localised several Angstrom in front of the surface, dispersing free-electron
like parallel to the surface. Polarisation and exchange splitting of the
image-potential-induced surface states are governed by the underlying
electronic structure of the ferromagnetic film. Hence the image-potential
states act as "observer states" for the magnetisation even on an ultrafast
timescale. The dispersing image-potential electron is employed as test charge
or primary electron, thus effectively separating low-energy losses from direct
decay into d holes. Inelastic lifetimes of majority- and minority-spin image-
potential states differ due to the spin-dependent density of bulk states and
the possibility of spin-wave emission for minority-spin electrons only. We
show in time-resolved studies of both, the population and the linewidth, of
image-potential states that at the magnetic surface not only the lifetime is
spin-dependent. On iron, there also exist spin-dependent, population-
conserving quasielastic scattering processes, which we interpret as
quasielastic electron-magnon scattering on a femtosecond timescale. Magnon
emission was also identified as the most obvious source for spin-dependent
resonant interband scattering of electrons from the n=2 minority-spin band
into the n=1 majority-spin band. Consistent with theoretical predictions that
spin-flip processes accompanied by spin-wave emission contribute significantly
to the decay of minority-spin electrons in iron, we found that inelastic
intraband decay on iron is not only much stronger than on cobalt, but also
highly spin-dependent. As magnon emission is only possible through the
exchange of a minority-spin electron with a majority-spin electron from the
bulk accompanied by the interaction of the final-state electron-hole pair, we
dubbed this spin-dependent intraband scattering process magnon-enhanced
exchange scattering. We could identify several instances where electron-magnon
scattering strongly contributed to the femtosecond electron dynamics in front
of ultrathin ferromagnetic films. In contrast to a common argumentation we
prove in our experiments directly in the time domain that electron-magnon
scattering is ultrafast. Thus magnon emission does not constitute a bottleneck
for the speed of magnetic switching and may very well be a microscopic process
participating in femtomagnetism.
de
dc.description.abstract
Auch mit Hilfe hochentwickelter Techniken wie der spinpolarisierten
Elektronenverlustspektroskopie oder der spinaufgelösten Zweiphotonen-
Photoemission an Volumenbändern stellt der experimentelle Zugang zu
spinabhängigen Zerfallsprozessen niederenergetischer Elektronen in
Bandferromagneten weiterhin eine Herausforderung dar. Um die Vorteile beider
Methoden zu kombinieren, haben wir ein Experiment zur spin-, zeit-, winkel-
und energieaufgelösten bichromatischen Zweiphotonen-Photoemission aufgebaut,
das auf die Erforschung der spinabhängigen Elektronendynamik zielt. Dabei
dienen uns Bildpotentialzustände auf ultradünnen Eisen- und Kobaltfilmen als
Modellsystem. Bildpotentialzustände sind Oberflächenzustände, die in einer
Entfernung von einigen Angstrom vor der Oberfläche lokalisiert sind und
parallel zur Oberfläche frei dispergieren können. Die elektronische Struktur
des ferromagnetischen Films bestimmt die Spinpolarisation und die
Austauschaufspaltung dieser Oberflächenzustände. In unseren zeitaufgelösten
Photoemissionsexperimenten mit Femtosekunden Laserpulsen fungieren sie als
ultraschneller Sensor für die Magnetisierung. Indem wir Elektronen im
dispergierenden Bildpotentialband als Primärelektron verwenden, können wir
Zerfallsprozesse mit kleinem Energieverlust effektiv von solchen in freie d
Bänder unterscheiden. Die Lebensdauern der Bildpotentialzustände sind
spinabhängig, da einerseits die Zustandsdichte im Ferromagneten
austauschaufgespalten ist und andererseits nur Minoritäts-
Bildpotentialelektronen Magnonen emittieren können. Nicht nur die
Populationsdynamik der Bildpotentialzustände sondern auch die Linienbreite der
entsprechenden Übergänge sind spinabhängig. Quasielastische Streuprozesse im
Minoritäts-Bildpotentialzustand interpretieren wir als quasielastische
Elektron-Magnon Streuung, die auf der Femtosekundenzeitskala abläuft. Sie
treten im Majoritätsband nicht auf, da entsprechende Streupartner fehlen.
Magnonenemission wurde auch als wahrscheinlichste Ursache für spinabhängige
resonante Interbandstreuung vom n=2 Minoritäts- in das n=1 Majoritätsband
ausgemacht. Im Einklang mit theoretischen Voraussagen, dass Spinflipprozesse
mit Spinwellenemission wesentlich zum Zerfall der Minoritäselektronen im Eisen
beitragen, beobachteten wir starken, signifikant spinabhängigen
Intrabandzerfall in Eisen. Da Magnonenemission unter Vernachlässigung der
Spin-Bahn-Wechselwirkung nur im Zusammenhang mit dem Austausch eines
Minoritätselektrons durch ein Majoritätselektron aus dem Volumenkristall und
der Endzustandswechselwirkung des Elektron-Loch-Paares möglich ist, bezeichnen
wir diesen spinabhängigen Intraband Streuprozess als magnonenunterstützte
Austauschstreuung. Für drei unterschiedliche Streuprozesse, quasi-elastische
Intra- und Interbandstreuung, sowie inelastische Intrabandstreuung konnten wir
einen starken Beitrag der Elektron-Magnon Streuung zur Femtosekundendynamik
von Elektronen vor ultradünnen ferromagnetischen Schichten nachweisen.
Entgegen weitverbreiteter Annahmen ist die Elektron-Magnon Wechselwirkung
ultraschnell und konkurriert mit spin-unabhängiger Elektron-Elektron und
Defektstreuung. Die Emission von Magnonen ist daher kein limitierender Faktor
für schnelles magnetisches Schalten und könnte sehr wohl einer der
mikroskopischen Streuprozesse sein, die am Femtomagnetismus beteiligt sind.
de
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
ultrafast spectroscopy
dc.subject
spin-resolved dynamics
dc.subject
photoelectron emission
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik::530 Physik
dc.title
Spin-dependent electron dynamics in front of ferromagnetic surfaces
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martin Weinelt
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Markus Donath
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Martin Aeschlimann, Prof. Dr. Martin Wol
dc.date.accepted
2007-12-18
dc.date.embargoEnd
2007-01-12
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000003495-6
dc.title.translated
Spinabhängige Elektronendynamik an Ferromagnetischen Oberflächen
de
refubium.affiliation
Physik
de
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FUDISS_thesis_000000003495
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http://www.diss.fu-berlin.de/2008/73/
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