Mapping spin accumulation in lateral spin momentum transfer devices using Brillouin light scattering microscopy
Final Report Abstract
In dem Projekt „Mapping spin accumulation in lateral spin momentum transfer devices using Brillouin light scattering microscopy“ wurde die Brillouin-Lichtstreumikroskopie erfolgreich als neue Detektionsmethode für die induzierte Spinpolarisation in nichtmagnetischen Metallen eingeführt. Die vorgestellten Untersuchungen sind wegweisend in zweierlei Hinsicht: Erstens wurde das Vorhandensein von Magnetisierung in ursprünglich nichtmagnetischen Metallen erstmals optisch durch ein Mikroskopieverfahren nachgewiesen, welches die nicht-invasive Erfassung der Magnetisierung für verschiedene Punkte in der Schichtebene erlaubt. Zweitens wird in dem Prozess der Brillouin-Lichtstreuung die dynamische Magnetisierung durch den Probenstrahl nachgewiesen und nicht die statische Magnetisierung, wie in den meisten gegenwärtigen Untersuchungen. Ein Hauptresultat dieses Projektes ist, dass die Relaxationslänge der dynamischen Magnetisierung in den nichtmagnetischen Metallen klein ist gegenüber der Relaxationslänge der statischen Magnetisierung, vermutlich aufgrund von Absorption an magnetischen Verunreinigungen und Dephasierung durch lokale magnetische Felder, die an Unebenheiten der Grenzfläche entstehen. Die Anwendbarkeit der Brillouin-Lichtstreumikroskopie für eine direkte, zweidimensionale Abbildung der Spinakkumulation in nichtmagnetischen Metallen wurde in lateralen Spinstrukturen mit nicht-lokaler Spininjektion untersucht. Die räumlich aufgelösten Messungen zeigen charakteristische Intensitätsoszillationen, die auf einer Längenskala im Mikrometerbereich zerfallen. Dieses Verhalten lässt sich auf die räumliche Verteilung des Laserfokus zurückführen, welcher während einer Messung einen signifikanten Anteil des in der Permalloy-Schicht inelastisch gestreuten Lichtes aufsammelt. Die direkte zweidimensionale Abbildung der Spinakkumulation durch Brillouin-Lichtstreumikroskopie zeigt sich daher aufgrund der kleinen Spin-Relaxationslängen und der beugungsbegrenzten Auflösung des Mikroskopes als nicht realistisch. Eine direkte ortsaufgelöste Messung der Spinpolarisation in nichtmagnetischen Metallen ist daher nur möglich, indem entweder (a) die Ortsauflösung verbessert wird, oder (b) das BLS-Signal und die Propagationslänge der induzierten Spins erhöht werden. Beide Ansätze werden zukünftig in weiteren Arbeiten verfolgt: Die neue Technik der Nano-BLS verspricht eine hohe Ortsauflösung im Nanometer-Bereich, ist aber aufgrund ihrer geringen Sensitivität noch nicht “marktreif”. Weiterhin wird ein zukünftiger Schwerpunkt der Forschungsarbeit auf die Magnon-Spintronik liegen, welche die Möglichkeit des Informationstransportes mit Hilfe von Spinwellen in Spintronik-Bauteilen untersucht. Die Kombination von Spinwellen und konventioneller Spintronik eröffnet ein neues Forschungsfeld, das vielversprechend für künftige Anwendungen ist. Die Brillouin-Lichtstreuspektroskopie ist ein erprobtes Werkzeug für diese zukünftigen Untersuchungen.
Publications
- Phase sensitive Brillouin scattering measurements with a novel magneto-optic modulator. Rev. Sci. Instrum. 80, 043903 (2009)
F. Fohr, A.A. Serga, T. Schneider, J. Hamrle, and B. Hillebrands
- Optical detection of spin transport in non-magnetic metal. Phys. Rev. Lett. 106, 226601 (2011)
F. Fohr, Y. Fukuma, S. Kaltenborn, J. Hamrle, H. Schultheiß, A.A. Serga, H.C. Schneider, Y. Otani, and B. Hillebrands
- Spin dynamics in non-magnetic metals. Dissertation, Fachbereich Physik, TU Kaiserslatern (2011)
F. Fohr
