Holographische Abbildung und zeitaufgelöste Röntgenstreuung von magnetischen Domänensystemen

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit Untersuchungen magnetischer Proben mittels Fourier- Transformations-Holographie (FTH) und Kleinwinkel-Röntgenstreuung (SAXS). Für magnetische Proben benötigt man hierzu eine resonante, dichroische Absorptionskante. Die 3d-Ferromagnete haben solche Kanten im weichen Röntgenbereich bei jeweils ca. 60 eV und oberhalb von 700 eV. Bislang wurde nur die höherenergetische Resonanz für Orts-aufgelöste Abbildungen genutzt. In dem vorgestellten Grundlagenexperiment konnte erstmals gezeigt werden, dass die Bildgebung magnetischer Domänen mittels FTH auch in dem nieder-energetischen Regime funktioniert. Die Qualität ist dabei vergleichbar mit Abbildungen an der höheren Absorptionskante. Damit eröffnen sich neue Anwendungsfelder an modernen Röntgenstrahlungsquellen, die nur diesen Energiebereich erreichen können. Das betrifft momentan die Hälfte der weltweit zur Verfügung stehenden Freie-Elektronen Röntgenlaser und die meisten kohärenten Laborquellen. Die notwendigen Anpassungen der Experimentier-umgebung und Datenauswertung konnten identifiziert werden. Dies trug dazu bei, dass FTH an den M-Kanten der 3d Ferromagnete mittlerweile standardmäßig bei weiteren Untersuchungen eingesetzt wird. FTH ist eine verfeinerte Methode der Röntgenstreuung, bei der durch Interferenz der vom Objekt veränderten Welle mit einer Referenzwelle ein Hologramm erzeugt wird. Ohne Referenzwelle erhält man nur das Streubild der Probe, welches trotzdem wertvolle Informationen über die räumliche Anordnung der Streuobjekte enthält. In einem zeitaufgelösten Anrege-Abfrage-Experiment konnten anhand der Streubilder zu verschiedenen Zeitpunkten, Strukturveränderungen von magnetischen Domänen im Femtosekundenbereich studiert werden. Auf dieser Zeitskala erfahren magnetische Materialien als Antwort auf die optische Anregung eine ultraschnelle Entmagnetisierung. Im Zuge dieser Entmagnetisierung zeigte sich eine Veränderung des Streubildes, die auf eine starke Modifikation der Domänenwände zwischen entgegengesetzt magnetisierten Bereichen schließen lässt. Mithilfe einer Theorie zum zweidimensionalen Spin-Transport in der Probe, konnte eine schlüssige Erklärung sowohl für die räumliche als auch zeitliche Komponente der Veränderungen gefunden werden.The topic of this thesis is the investigation of magnetic samples with Fourier transform holography (FTH) and small-angle x-ray scattering (SAXS). For magnetic samples it is necessary to exploit a resonant, dichroic absorption edge. For the 3d-ferromagnets such edges exist in the soft x-ray regime around 60 eV and above 700 eV. So far, only the higher-energetic resonance was used for spatially-resolved imaging. In the presented proof-of principle experiment it was shown for the first time, that imaging magnetic domains with FTH is equally possible in the lower-energetic regime. The achieved quality is comparable to imaging at the higher absorption edge. This allows the application of FTH also at those modern x-ray sources, that can only reach this photon energy range. This includes half of the currently world-wide available free-electron x-ray lasers and most of the coherent table-top sources. The necessary adaptations of experimental environment and data evaluation could be identified. With that, FTH at the 3d ferromagnet M-edges is nowadays used as a standard technique for further investigations. FTH is a refined application of x-ray diffraction insofar as, by interference of the object-transmitted wave with a reference wave, a hologram is generated, that can be Fourier-transformed into a spatially resolved image of the object. Without reference wave, however, the scattering pattern of the sample still contains valuable information on the spatial arrangement of the scattering objects. In the scope of a time-resolved pump-probe experiment and with the help of the scattering patterns at different probe times, structural changes of magnetic domains in the femtosecond regime could be studied. At that timescale magnetic materials exhibit an ultrafast demagnetization as a response to optical excitation. In the process of this demagnetization, an alteration of the scattering pattern indicated a strong modification of the domain walls between oppositely magnetized regions. With the implementation of a two-dimensional spin-transport theory a conclusive explanation for the spatial processes including their temporal behaviour could be given