Durch ballistische Elektronen getriebene Magnetisierungsdynamik ausgelöst durch Femtosekunden-Laserpulse

• Antragsteller: Professor Dr. Uwe Bovensiepen; Dr. Alexey Melnikov
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2009 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 137051180

Elektronische Anregungen eines Ferromagneten können zu ultraschneller Spindynamik mit möglichen Anwendungen in der Spintronik und einer Beschleunigung der magnetischen Datenspeicherung führen. In metallische Strukturen mit hochmobilen Ladungsträgern ist die Dynamik von optisch angeregten Zuständen wegen des Transportes von heißen Ladungsträgern (HLT) nicht lokal. In diesem Projekt wird die ultraschnelle Spindynamik in metallischen Schichtsystemen untersucht, die durch propagierende HLT ausgelöst wird. In einem Ferromagnet können diese HLT eine Änderung des Absolutwertes der Magnetisierung M durch ihre spinabhängige Streuung hervorrufen. Sofern die HLT spinpolarisiert sind, kann bei ihrer Streuung an Grenzflächen durch spin-transfer torque (STT) die Richtung von M modifiziert werden. Das Ziel dieses Projekts ist eine rein optische Erzeugung und der Nachweis solcher spin-transfer torque Effekte durch: (i) optische Erzeugung von HLT in einem itineranten Ferromagneten und deren Injektion in ein Edelmetall, (ii) Untersuchung der Propagation von femtosekunden Spinstrom-Pulsen (SSP) durch ein Edelmetall, und (iii) Analyse der durch diese Pulse ausgelösten Spindynamik nach Injektion in den Ferromagneten. Die microskopischen Mechanismen werden in Modellsystemen untersucht, die aus 20 100 nm dicken Fe/Au und Fe/Au/Fe Schichten bestehen, welche epitaktisch auf MgO(001) abgeschieden werden. Aufgrund der optischen Transparenz des Substrats wird die ausgelöste Dynamik bei rückseitiger-Anregung und vorderseitiger-Abtastung mit 20 fs Zeitauflösung im angeregten Zustand mit Hilfe (nicht-linearer) Magneto-Optik nachgewiesen. In der ersten Förderperiode wurde die Erzeugung von SSP mit einer Dauer von 30 fs und die entscheidende Rolle des Transports der HLT in der ultraschnellen Entmagnetisierung von Fe in Fe/Au-Strukturen demonstriert. Weiterhin zeigen erste Resultate in Fe/Au/Fe Strukturen die ultraschnelle Spindynamik, die in Fe durch spin-polarisierte HLT erzeugt wurde. Hierdurch können wir einen Zugang zur HLT-induzierten Spindynamik aufzeigen, der das Potential hat, Limitierungen zu überwinden, die in gegenwärtig bekannten Verfahren im phononisch vermittelten Drehimpulstransfer unter Gleichgewichtsbedingungen bestehen. Mit diesen Zielen werden wir Experimente in Fe/Au und Fe/Au/Fe Strukturen durchführen, mit Hauptfokus auf STT Effekten, die durch femtosekunden SSP ausgelöst werden. Damit wird das Verständnis der verantwortlichen Elementarprozesse erarbeitet und ein Konzept für metall-basierte femtosekunden spintronics Bauelemente zur Spinverzögerung, -ansammlung, und -detektion entwickelt.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen