Details

Autor(en) / Beteiligte

• Heitz, Johan Julius Frederick

Titel

Spintronic Operations Driven by Terahertz Electromagnetic Pulses

Ort / Verlag

ProQuest Dissertations & Theses

Erscheinungsjahr

2021

Quelle

ProQuest Dissertations & Theses A&I

Beschreibungen/Notizen

• Da die ersten auf spintronischen Prinzipien erbauten Speicher den Markt erreichen und gleichzeitig Informationsträger wie Elektronen (in Feldeffekttransistoren) und Photonen (in Glasfaserkabeln) in den Terahertz-Frequenzbereich (THz, 10^12 Hz) vordringen, stellt sich die Frage, ob die Spintronik, welche die Elektronik um den Elektronenspin erweitert, mit solch hohen Frequenzen kompatibel ist. Gleichzeitig ist der THz-Frequenzbereich, welcher elementare Anregungen wie Phononen und Magnonen enthält, auch fur die Grundlagenforschung interessant. Um diese Anregungen zu untersuchen bieten sich elektromagnetische THz-Pulse mit hohen Feldstärken an, denn sie können direkt an elektrische und magnetische Resonanzen koppeln. Diese Arbeit untersucht mit THz-Lichtpulsen, die in spintronischen Dünnfilmproben Spin- und Ladungsströme induzieren, ob elementare spintronische Effekte, wie die Spin-Akkumulation oder das Spin-Bahn-Drehmoment, auch bei THz-Frequenzen aktiv sind. Die magnetische Antwort wird mit kurzen optischen Pulsen oder mittels elektrischer Messungen zeitaufgelöst abgefragt. Die spintronischen Effekte werden in ferromagnetischen (FM)/nichtmagnetischen (NM) Dunnfilm-Metallmultilagen untersucht, wobei zuerst eine Messmethode erarbeitet ¨ wird, um alle räumlichen Anteile der Probenmagnetisierung gleichzeitig zu bestimmen. Hierzu werden die magnetische zirkuläre Doppelbrechung (MCB) und die, oft vernachlässigte, magnetische lineare Doppelbrechung (MLB), welche der Abfragepuls beim Durchdringen der Probe entlang der Probennormale erfährt, gleichzeitig bestimmt. Ein besonderes Augenmerk liegt auf der Normierung des MLB-Signals. Mithilfe dieser neuartigen Messmethode werden Indizien fur eine THz Spin-Akkumulation und das feldartige Spin- ¨ Bahn-Drehmoment (FL-SOT) an der FM/NM Grenzfläche gefunden, welche auf einen Spinaustausch zwischen dem nichtmagnetischen Schwermetall und dem FM zuruckgeführt ¨ werden. Die in den FM eindringenden Spins relaxieren auf einer Zeitskala von ∼ 100 fs, was mit Ergebnissen aus ultraschnellen optischen Demagnetisierungsstudien ubereinstimmt. ¨ Zusätzlich wird die nichtlineare THz-Spektroskopie dahingehend erweitert, vom elektrischen oder magnetischen THz-Feld getriebene Signale unterscheiden zu können, indem die relativen Stärken der elektromagnetischen Felder im Inneren einer Dunnfilmprobe beeinflusst werden. Hierbei unterdruckt ein elektrisch leitender THz Spiegel das THz elektrische Feld in der Probe, während das THz magnetische Feld um einen Faktor 1.97±0.06 verstärkt wird. Diese Unterdruckung des THz elektrischen Feldes in der Nähe eines Leiters wird genutzt, um die vom THz elektrischen Feld getriebene Widerstandsmodulation in einem, auf einem (optisch angeregten) halbleitenden Substrat gewachsenen, Antiferromagneten (AFM) zu steuern. Dabei wird die Wirkung des THz elektrischen Feldes im AFM unterdruckt ohne den magnetischen Zustand des AFM zu stören. Ein einfaches Modell stutzt die Interpretation der Beobachtungen. Zusammenfassend leistet diese Arbeit einen wichtigen Beitrag, um spintronische Effekte wie die Spin-Akkumulation und das Spin-Bahn-Drehmoment im THz-Frequenzbereich zu etablieren und erweitert zusätzlich die Möglichkeiten der nichtlinearen THz-Spektroskopie an Magneten.