Ultrafast non-equilibrium vs equilibrium magnetic phase transitions and their signature in the electronic system
Final Report Abstract
Die Hauptfragestellung des Projekts, Gleichgewichts- vs. Nichtgleichgewichts-Phasenübergänge, konnte nur partiell bearbeitet werden, teils wegen stark verspäteter Lieferungen von wesentlichen apparativen Komponenten, teils wegen des nicht bewilligten Lasersystems zur Untersuchung der Nichtgleichgewichts-Phasenübergänge. Dennoch wurden im Rahmen des Projekts eine ganze Reihe interessanter Entdeckungen gemacht, die in hochrangigen internationalen Zeitschriften veröffentlicht wurden. Außerdem wurden die Untersuchungen von magnetischen Systemen auf Systeme mit Spin-Bahn-induzierten Spinstrukturen erweitert, die im Fokus aktueller Forschung liegen. Oberflächen- und Bildladungszustände sind sehr spezifische Sensoren für Spinordnung und magnetische Phasenübergänge. Widersprüchlich scheinende Spektroskopieergebnisse zu austauschaufgespaltenen Oberflächenzuständen auf Seltenerdmetallen konnten durch hochaufgelöste Inverse Photoemissionsmessungen aufgeklärt werden. Energetik und Dynamik des Bildpotentialzustandes auf Gadolinium- und Nickelfilmen wurden mit spin- und zeitaufgelösten Zwei-Photonen-Photoemissionsmessungen erstmalig bestimmt. Auf Nickelfilmen kann durch geeignete Wahl der anregenden Lichtwellenlänge ein zweidimensionales Elektronengas mit definierter Spinpolarisation vor der Oberfläche erzeugt werden. Die Entdeckung überraschend kurzer mittlerer freier Weglängen von Elektronen in Seltenerdmetallen von weniger als einer Atomlage ist für jede Art von Elektronenspektroskopie von Bedeutung. Ähnliche Mechanismen, nämlich die Austauschstreuung der Elektronen, dominieren die Untersuchung von Lebensdauern heißer Elektronen in Eisen, Kobalt und Nickel, die daher nur geringe Spinabhängigkeit zeigen. Transporteffekte werden daher vor allem auf der Nanoskala, d.h. an Grenz- und Oberflächen, zu ultraschnellen magnetischen Phasenübergängen beitragen. In den Lanthaniden Gadolinium und Terbium führt die optische Anregung mit einem ultrakurzen Laserpuls zur Abnahme der Magnetisierung mit einer Zeitkonstante von etwa 1 ps, während sie in Nickel nur 100 fs beträgt. Messungen der Oberflächenzustände der Lanthanide erhärten, dass diese auch noch oberhalb der Curie-Temperatur austauschaufgespalten sind („spin-mixing“). Die Spinpolarisation des besetzten Oberflächenzustands folgt hingegen der Temperaturabhängigkeit der makroskopischen Magnetisierungskurve. Es wäre nach wie vor hochinteressant, die transiente Spinpolarisation der Oberflächenzustände auf Gd und Ni nach optischer Anregung zu bestimmen. Topologische Isolatoren und Rashba-Systeme sind Gegenstand der aktuellen Forschung, da sie verlustfreie Spinströme ohne externe Magnetfelder versprechen und damit das Gebiet der Spintronik vorantreiben könnten. Dirac-Kegel-artige Oberflächenzustände auf einer Wolframoberfläche sowie ein Thallium-induzierter Oberflächenzustand auf Silizium zeigen charakteristische Spinstrukturen als Funktion von Energie, Impuls und Kristallrichtung. Letztere Untersuchungen wurden ermöglicht durch eine im Rahmen des Projekts neu entwickelte, drehbare Quelle für Elektronen mit beliebig einstellbarer transversaler Spinpolarisation, die uns auf diesem Gebiet noch vielfältige Forschungsmöglichkeiten eröffnet.
Publications
- Spin-dependent relaxation of photoexcited electrons at surfaces of 3d ferromagnets, in Dynamics at Solid State Surfaces and Interfaces, Volume 1: Current Developments, U. Bovensiepen, H. Petek, and M. Wolf (eds.), Wiley-VCH, Berlin, 2010
M. Weinelt, A. B. Schmidt, M. Pickel, and M. Donath
- Surface state with dz2 symmetry at Y(0001): A combined direct and inverse photoemission study, Phys. Rev. B 82, 201412(R) (2010)
S. D. Stolwijk, A. B. Schmidt, and M. Donath
- Hot-Electron-Driven Enhancement of Spin-Lattice Coupling in Gd and Tb 4f Ferromagnets Observed by Femtosecond X-Ray Magnetic Circular Dichroism, Phys. Rev. Lett. 106, 127401 (2011)
M. Wietstruk, A. Melnikov, C. Stamm, T. Kachel, N. Pontius, M. Sultan, C. Gahl, M. Weinelt, H. A. Dürr, and U. Bovensiepen
- Role of Spin-Flip Exchange Scattering for Hot-Electron Lifetimes in Cobalt, Phys. Rev. Lett. 107, 026601 (2011)
A. Goris, K. M. Döbrich, I. Panzer, A. B. Schmidt, M. Donath, and M. Weinelt
- Quasiparticles and collective excitations, in Dynamics at Solid State Surfaces and Interfaces, Volume 2: Fundamentals, U. Bovensiepen, H. Petek, and M. Wolf (eds.), Wiley-VCH, Berlin, 2012
E. V. Chulkov, I. Sklyadneva, M. Kira, S. W. Koch, J. M. Pitarke, L. M. Sandratskii, P. Buczek, K. Ishioka, J. Schäfer, and Martin Weinelt
- Spin-polarized Dirac-cone-like surface state with d character at W(110), Phys. Rev. Lett. 108, 066808 (2012)
K. Miyamoto, A. Kimura, K. Kuroda, T. Okuda, K. Shimada, H. Namatame, M. Taniguchi, and M. Donath
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.066808) - Rotating spin and giant splitting: Unoccupied surface electronic structure of Tl/Si(111), Phys. Rev. Lett. 111, 176402 (2013)
S. D. Stolwijk, A. B. Schmidt, M. Donath, K. Sakamoto, and P. Krüger
(See online at https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.111.176402) - Valley spin polarization by using the extraordinary Rashba effect on silicon, Nat. Commun. 4, 2073 (2013)
Kazuyuki Sakamoto, Tae-Hwan Kim, Takuya Kuzumaki, Beate Müller, Yuta Yamamoto, Minoru Ohtaka, Jacek R. Osiecki, Koji Miyamoto, Yasuo Takeichi, Ayumi Harasawa, Sebastian D. Stolwijk, Anke B. Schmidt, Jun Fujii, R. I. G. Uhrberg, Markus Donath, Han Woong Yeom, and Tatsuki Oda
(See online at https://doi.org/10.1038/ncomms3073) - Rotatable spin-polarized electron source for inverse-photoemission experiments, Rev. Sci. Instrum. 85, 013306 (2014)
S. D. Stolwijk, H. Wortelen, A. B. Schmidt, and M. Donath
(See online at https://doi.org/10.1063/1.4863097)
