Ultrafast spindynamics in ferromagnetic thin films

Abstract (English)

Ultrafast or femtosecond magnetization dynamics describe the physics of a magnetic system on the perturbation by a strong laser pulse. This pulse excites the electrons close to the Fermi energy. It is followed by a thermalization due to a variety of scattering processes. The plenitude of these processes is of fundamental interest for solid states physics, but is not yet understood properly. In ...

Abstract (English)

Ultrafast or femtosecond magnetization dynamics describe the physics
of a magnetic system on the perturbation by a strong laser pulse.
This pulse excites the electrons close to the Fermi energy. It is
followed by a thermalization due to a variety of scattering processes.
The plenitude of these processes is of fundamental interest for solid
states physics, but is not yet understood properly. In the field of
ultrafast magnetization dynamics most progress was achieved by all
optical measurements. However, the spin polarization is not directly
accessible in optical measurements. Moreover, the interpretation of
all optical experiments is still under debate. In order to gain
direct insight into the time evolution of the spin polarization after
excitation with a femtosecond laser pulse, a time and spin-resolved
pump-probe experiment is applied. This allows one to measure the
quenching of the spin polarization within these short time scales. In
our experiment the spin polarization of the photoexcited electrons of
in situ prepared thin films is measured directly with a Mott-detector.
The spin dynamics of iron and cobalt thin films could be measured with
good signal to noise ratio together with the magneto-optic Kerr
effect. The overall signal shape matches the one of the all optical
measurements. With the help of our measurements it could thus be
shown, that the all optical techniques indeed contain a contribution
of magnetic origin. This qualitative agreement between all optical
and spin polarization measurements is discussed and an explanation of
the slower response of the spin polarization is developed. This is
based on the different spin flip probabilities within the regions of
the band structure probed by the various experiments.

Translation of the abstract (German)

Die so genannte ultraschnelle oder femtosekunden Magnetisierungsdynamik beschreibt die Physik eines magnetischen Systems nach der Störung durch einen starken Laserpuls. Dieser Laserpuls regt die Elektronen an, die nahe der Fermienergie sitzen. Dem folgt eine Thermalisierung durch verschiedene Streuprozesse. Die Vielfalt dieser Streuprozesse ist von fundamentalem Interesse für ...

Translation of the abstract (German)

Die so genannte ultraschnelle oder femtosekunden
Magnetisierungsdynamik beschreibt die Physik eines magnetischen
Systems nach der Störung durch einen starken Laserpuls. Dieser
Laserpuls regt die Elektronen an, die nahe der Fermienergie sitzen.
Dem folgt eine Thermalisierung durch verschiedene Streuprozesse. Die
Vielfalt dieser Streuprozesse ist von fundamentalem Interesse für die
Festkörperphysik, aber bis jetzt noch nicht vollständig vertanden. Auf
dem Gebiet der ultraschnellen Magnetisierungsdynamik wurde der meiste
Fortschritt durch optische Messungen erreicht. Allerdings ist die
Spinpolarisation selbst nicht direkt durch optische Methoden messbar.
Darüber hinaus wird die Interpretation der optischen Messungen noch
diskutiert. Um einen direkten Einblick in die Zeitentwicklung der
Spinpolarisation nach der Anregung durch einen Laserpuls zu bekommen,
wurde hier ein zeit- und spin-aufgelöstes Pump-Probe-Experiment
durchgeführt. Dies erlaubt es die Reduktion der Spinpolarisation
innerhalb dieser kurzen Zeitskalen direkt zu messen. In dem Experiment
wurde die Spinpolarisation von photoemittierten Elektronen mit einem
Mott-Detektor gemessen. Die Spindynamik von dünnen Filmen aus Eisen
und Cobalt konnte mit gutem Signal-Rausch-Verhältnis zusammen mit dem
magneto-optischen Kerreffekt gemessen werden. Die grundsätzliche
Signalform gleicht der der optischen Messmethoden. Daher konnte mit
unseren Messungen gezeigt werden, dass die optischen Messtechniken in
der Tat einen echt magnetischen Anteil enthalten. In dieser Arbeit
wird diese qualitative Übereinstimmung zwischen den optischen und den
Sprinpolarisationsmessungen diskutiert und eine Erklärung für das
langsamere Verhalten der Spinpolarisation wird entwickelt. Grundlage
dafür sind die unterschiedlichen Spinflippwahrscheinlichkeiten
innerhalb der Regionen der Bandstruktur, die durch die verschiedenen
Experimente beobachtet werden.

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