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Time-resolved investigation of ultrafast magnetization dynamics
Weder, David
In the dissertation, time-resolved laser-induced magnetization phenomena on a femtosecond time and nanometre spatial scale are investigated. Many exciting effects in this research field, such as the generation of skyrmions, the optically induced permanent reversal of the magnetization, laser-driven spin currents or ultrafast demagnetization, are linked to ultrafast processes taking place not only on a femtosecond time but also on a nanoscopic length scale. For this reason, the work focuses in particular on the temporal and spatial evolution of a laterally strongly localized excitation of a ferromagnet. To achieve such a tailored excitation, we focus secondly on how a spatially strongly confined optical excitation below the diffraction limit can be experimentally realized.
In order to follow the photo-induced magnetization dynamics in time, an element-specific access and a magnetic sensitivity to the Co-based thin-film samples must be ensured. This was achieved by performing all measurements in the extreme ultraviolet (XUV) spectral range, exploiting magnetic circular dichroism at the Co M resonance. The corresponding wavelengths are in the range of 20 nm and hence allow a high spatial resolution. In addition, the temporal resolution plays a decisive role in recording the femtosecond dynamics. Both requirements are met by the properties of the free-electron laser FERMI, which delivers coherent, brilliant and ultrashort pulses in the XUV spectral range. All time-resolved experiments described in this thesis were performed at the large-scale facility FERMI in Italy.
In der Doktorarbeit werden zeitaufgelöste, laserinduzierte Magnetisierungsphänomene auf einer Femtosekundenzeit- und Nanometerraumskala untersucht. Viele interessante Effekte in diesem Forschungsfeld wie die Generierung von Skyrmionen, die optisch induzierte permanente Umschaltung von Magnetisierung, lasergetriebene Spinströme oder die laserinduzierte Entmagnetisierung sind mit ultraschnellen Prozessen verbunden, die nicht nur auf einer Femtosekundenzeit-, sondern auch auf einer Nanometerlängenskala stattfinden. Diese Arbeit fokussiert sich im Besonderen auf die zeitliche und räumliche Entwicklung einer lateral stark lokalisierten Anregung eines Ferromagneten. So wird untersucht wie eine räumlich stark begrenzte optische Anregung unterhalb der Beugungsgrenze experimentell realisiert werden kann.
Um der photoinduzierten Magnetisierungsdynamik zeitlich zu folgen, muss eine elementspezifische und magnetische Sensitivität auf die Co-basierten Dünnschichtproben gewährleistet sein. Dies wurde erreicht, indem alle Messungen im extrem ultravioletten (XUV) Spektralbereich unter Ausnutzung des magnetischen Zirkulardichroismus an der Co M Resonanz durchgeführt wurden. Die entsprechenden Wellenlängen liegen im Bereich von 20 nm und ermöglichen somit eine hohe räumliche Auflösung. Darüber hinaus spielt die zeitliche Auflösung eine entscheidende Rolle bei der Aufzeichnung der Femtosekundendynamik. Beide Anforderungen werden durch die Eigenschaften des Freie-Elektronen-Lasers FERMI erfüllt, der kohärente, brillante und ultrakurze zeitliche Pulse im XUV Spektralbereich liefert. Folglich wurden alle in dieser Arbeit beschriebenen zeitaufgelösten Experimente in der Großforschungsanlage FERMI in Italien durchgeführt.
