Physik lasergeheizter Ferromagnete: Ultraschnelle Entmagnetisierung und magneto-Seebeck Effekt

Die Einbindung des Spin-Freiheitsgrades in elektronische Schaltungen, z.B. als nichtflüchtige magnetische Speicher, erfordert die genaue Kenntnis der Geschwindigkeiten mit denen Informationen geschrieben werden können. Optische Pump-Probe Experimente mit in Ti:Saphir Lasern generierten ultrakurzen Pulsen geben einen Einblick in die Magnetisierungsdynamik auf der Femtosekundenzeitskala. Die Magnetisierungsdynamik wird durch das Erhitzen des Elektronensystems mit der Energie des intensiven Pump-Pulses ausgelöst, das System entmagnetisiert. Die Entmagnetisierung und anschließende Relaxation in den ferromagnetischen Ausgangszustand wird mittels Magneto-Optischem Kerr-Effekt mit viel schwächeren Probe-Pulsen ausgelesen. In dieser Arbeit wurde die ultraschnelle Entmagnetisierung und Relaxation in dünnen Nickelfilmen (2 nm bis 40 nm), angeregt mit Pumpfluenzen zwischen 10mJ/cm2 und 50mJ/cm2, untersucht. Die relative Entmagnetisierung wurde aus der Unterdrückung der Kerr-Rotation in Hysteresekurven ermittelt, die vor dem Heizvorgang und bei maximaler Entmagnetisierung aufgenommen wurden. Zusätzlich wurde im selben Messaufbau, mit einer anderen Messmethode, die Reflektivitätsdynamik gemessen, um die Elektronentemperatur während der Entmagnetisierung und des Relaxationsprozesses zu ermitteln. Für die Durchführung einer quantitativen Analyse wurde eine analytische Lösung des Drei-Temperaturmodels an die experimentellen Daten angepasst, um die Entmagnetisierungs- und Relaxationszeiten zu extrahieren. Mittels der Landau-Lifshitz-Bloch Gleichung kann die Magnetisierungsdynamik modelliert werden. Der einzig benötigte Parameter ist die Elektronentemperatur, welche unabhängig aus den Reflektivitätsmessungen bestimmt werden kann. Für den 15 nm Nickelfilm stimmen die modellierten Daten sehr gut mit den experimentellen Daten überein. Für Nickelfilme anderer Schichtdicken werden die Reflektivitätsdaten unter dem Gesichtspunkt diskutiert, inwieweit die extrahierte Elektronentemperatur für die Modellierung mit der Landau-Lifshitz-Bloch Gleichung geeignet ist, um diese mit den experimentellen Daten zu vergleichen. Zusätzlich werden weitere Modelle, namentlich das mikromagnetische Dreitemperaturmodell m3TM und die Spin Super-Diffusion zur Beschreibung der Magnetisierungsdynamik, diskutiert und verglichen. Der nächste Schritt, um den Energieverbrauch von Prozessoren zu senken ist es einen Weg zu finden, die im Betrieb entstehende Abwärme als zusätzliches Potential zu verwenden. Diese Technik wird zusammen mit der Ausnutzung des Elektronspins in elektronischen Schaltungen Spin Kaloritronik genannt. In diesem Zusammenhang sind magnetische Tunnelkontakte interessante Bauelemente, welche als nichtflüchtige Speicher mithilfe von im Betrieb generierten Temperaturgradienten durch die daraus erzeugten Thermospannungen ausgelesen werden können. Die erzeugten Spannungen hängen von der relativen Magnetisierung der beiden magnetischen Schichten im Tunnelkontakt ab. Dieser Effekt wird magneto-Seebeck Effekt genannt. In dieser Arbeit wurde der magneto-Seebeck Effekt in CoFeB-MgO-CoFeB Tunnelelementen untersucht, indem der Temperaturgradient über dem Tunnelelement durch optisches Heizen mit einem Laser erzeugt wurde. Der Werdeguang und die Entwicklung des experimentellen Aufbaus ist im Detail beschrieben. Die experimentellen Daten werden mit ab-initio Kalkulationen des magneto-Seebeck Effektes verglichen.Including the spin degree of freedom into electronic circuits e.g. as non-volatile memory devices, requires the exact knowledge of the speed with which writing information is possible. All-optical pump-probe experiments with ultra-short pulses generated by Ti:Sapphire lasers give insight into magnetization dynamics on the femtosecond time scale. The magnetization dynamics is triggered by heating the electron system with the intense pump pulses and demagnetizing the system. The demagnetization and subsequent relaxation into the initial state are probed with much weaker probe pulses using the magneto-optical Kerr-effect. In this thesis the ultrafast demagnetization and magnetization recovery were investigated in nickel thin films (2 nm to 40 nm), applying pump fluences from 10mJ/cm2 to 50mJ/cm2. The relative demagnetization was determined from the quenching of the Kerr rotation extracted from hysteresis loops recorded before heating and during maximum demagnetization. Additionally, reflectivity dynamics was measured using the same setup with a different detection scheme to determine the electron temperature during the demagnetization and recovery process. For a quantitative analysis the analytic solution to the Three-Temperature-Model was fitted to the data to extract the demagnetization and recovery times. Magnetization dynamics can be modeled using the Landau-Lifshitz-Bloch equation. The only parameter needed is the electron temperature, which can be obtained independently from the reflectivity experiments. For the 15 nm nickel film the modeled data shows very good agreement with the experimental data. For the other nickel film thicknesses, the reflectivity data are discussed from the perspective, how the extracted electron temperatures are useful as input for modeling with the Landau-Lifshitz-Bloch equation, to obtain results in agreement with the experimental data. Additionally, further models, namely the micro-magnetic three temperature model m3TM and the spin super-diffusion which describe the magnetization dynamics, are discussed and compared. The next step to improve energy efficiency of microprocessor chips will be achieved by using the heat produced during computation as an additional power source to run those processors. This technique together with the utilization of the electron spin in electronic devices is termed spin caloritronics. In this context magnetic tunnel junctions are interesting devices as nonvolatile memory units. They can be read out using voltages generated by temperature gradients created by utilizing the heat produced during operation. There, different voltages are generated depending on the relative magnetization of both magnetic layers in the tunnel junction, termed magneto-Seebeck effect. In this thesis the magneto-Seebeck effect was investigated in CoFeB-MgO-CoFeB junctions by creating the temperature gradient across the junction heating one side of the junction optically using a laser. The realization of the setup is described in detail. The experimental data is compared to ab-initio calculations of the magneto-Seebeck effect