Optische Kontrolle der Magnetisierung in austauschgekoppelten

Berichte aus der Physik
Markus C. Weber
Optische Kontrolle der Magnetisierung in
austauschgekoppelten magnetischen Bilagen
D 386 (Diss. Technische Universität Kaiserslautern)
Shaker Verlag
Aachen 2005
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Zugl.: Kaiserslautern, TU, Diss., 2005
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Zusammenfassung ISBN 3-8322-4749-1
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurden die optischen Kontrollmöglichkeiten der
Magnetisierungsdynamik in austauschgekoppelten magnetischen Bilagen, Kernelemente in
der magnetoresistiven Sensorik, der magnetischen Datenspeicherung und der Spinelektronik,
zeitaufgelöst untersucht.
Zur Untersuchung der optischen Kontrolle der Magnetisierungsdynamik auf der
Pikosekundenzeitskala wurde ein optisches Pump-Probe-Experiment aufgebaut und für
zeitaufgelöste Studien bezüglich maximaler Zeit- und Ortsauflösung optimiert. Dabei lag der
Schwerpunkt in der Integration eines Lasersystems zur Erzeugung intensiver
Pikosekundenpulse einstellbarer Zentralwellenlänge, Pulsenergie und -repetitionsrate. Das
Lasersystem erlaubt die Kombination der Magnetfeldpuls-gesteuerten zeitaufgelösten
Magneto-Optik mit der rein optischen Anregung einer magnetischen Probe. Die optische
Methode verspricht neue physikalische Phänomene infolge der extrem kurzen
Anregungszeiten. Die transiente Kerr-Drehung ist dabei ein zuverlässiges Maß der
Magnetisierung und mehr noch der Magnetisierungsrichtung; somit wird die EchtzeitAbbildung der Auslenkung der Magnetisierung aus ihrer Ruhelage möglich.
Untersuchungsgegenstand der Pump-Probe-Experimente sind inhärent temperaturabhängige
Austausch-Verschiebungssysteme, die sich durch eine in ihrer Ruhelage fixierte
Magnetisierung des Ferromagneten auszeichnen. Für reine metallische AustauschVerschiebungssysteme erfolgt erstmals die Identifikation der optischen Kontrolle der
Austausch-Verschiebung mittels kurzer Laserpulse. Die Erzeugung eines starken Spin-GitterUngleichgewichts und eines „heißen Spinsystems“ als Folge der Photoanregung zeichnet für
die Entkopplung der Bilage innerhalb der Pumppulsdauer verantwortlich, wie
Echtzeitmessungen der Spintemperatur an der Ferromagnet/Antiferromagnet-(F/AF)Grenzfläche belegen. Ein Modell zur schnellen thermischen Aktivierung ermöglicht die
Quantifizierung der Modulationsstärke und der internen Relaxationszeit der F/AF-Kopplung.
Die Photoanregung entkoppelt das System nicht nur ultraschnell, moduliert also die
Austausch-Verschiebungsanisotropie, sondern lanciert zeitgleich ein internes effektives
Anisotropiepulsfeld. Ein solches internes Pulsfeld kann die Magnetisierung des
Ferromagneten einer Austausch-Verschiebungsbilage aus ihrer Ruhelage auslenken und so
kohärente, präzessionale Dynamik anregen. Die durch den Pumppuls eingetragene
Überschussenergie relaxiert über die Anregung kohärenter Spinwellen. Auf diese Weise läßt
sich die Amplitude und Richtung der Präzession optisch kontrollieren. Optisch induzierte,
transversale interne Pulsfelder ermöglichen die Abbildung der Magnetisierungstrajektorie und
die Rekonstruktion der expliziten Zeitstruktur des internen Pulsfeldes.
Die Grenzfläche der Doppelschichten steht im Mittelpunkt der Identifikation der zentralen
Dissipationskanäle der optisch angeregten Präzessionsmode. Abhängig von der Stärke der
F/AF-Kopplung können die kohärent getriebenen Spins des Ferromagneten ihre Energie an
das Gitter des Antiferromagneten abgeben und so effektiv Dämpfung in das System
einbringen. Die Magnonen der homogenen Präzessionsmode können an lokalen Fluktuationen
des Austausch-Verschiebungsfeldes als Folge der Grenzflächenrauigkeit in energetisch
entartete Spinwellenmoden streuen; eine klare Evidenz für die Präsenz von Zwei-MagnonenStreuung. Mehr noch, eine Schwebungssignatur evaneszenter Spinwellenmoden kann
zeitaufgelöst nachgewiesen werden. Neben der dominanten homogenen Präzessionsmode der
Magnetisierung sind damit auch dipolare Spinwellenmoden in die Laser-angeregte
Spindynamik austauschgekoppelter Bilagen involviert.
Die Anregung präzessionaler Magnetisierungsdynamik in Austausch-Verschiebungssystmen,
im Bild einer „optischen Ferromagnetischen Resonanz“, erlaubt den Nachweis eines
ultraschnellen, präzessionsdominierten Schaltvorgangs der Magnetisierung des
Ferromagneten im Modellsystem NiFe/FeMn. Erstmals gelingt der Nachweis eines
präzessionalen, optisch induzierten Schaltvorganges in austauschgekoppelten Bilagen mit
einer Schaltzeit von etwa 500 ps. Technologisch betrachtet werden so optisch-thermisch
induzierte, kohärente Schaltvorgänge in magnetischen Schichtsystemen mit Temperaturen
realisierbar, die deutlich niedriger als die Curie-Temperaturen typischer Ferromagnete sind.
Die Ergebnisse zeigen nicht nur das große Potential der optischen Pump-Probe-Technik,
sondern stellen das Speicherkonzept des „Heat-assisted Magnetic Recording“ auf ein breiteres
Fundament.