Beobachtung von Damon-Eshbach-Moden mittels Femtosekundenspektroskopie

Diplomarbeit von Benjamin Lenk

Einleitung:

Die anhaltend rasante Miniaturisierung magnetischer Speichermedien stellt hohe Anforderungen an die Forschung. So ist es nicht ausreichend, die Größe eines Bits sukzessive zu verringern, auch müssen Schreib- und Lesezyklen immer weiter verkürzt werden. Inzwischen sind Zeitskalen im Bereich von Nanosekunden erreicht und um weitere Verkürzungen zu ermöglichen, ist ein fundamentales Verständnis magnetischer Anregungen unabdingbar. Denn beim Schalten eines Bits muss entweder das Abklingen solcher Anregungen abgewartet oder ihre Erzeugung verhindert werden. Die Wichtigkeit dieses Forschungsgebietes spiegelt sich nicht zuletzt in der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Albert Fert und Peter Grünberg im Jahr 2007 wieder. Die vorliegende Arbeit untersucht im Schwerpunkt magnetische Anregungen in einem dünnen, ferromagnetischen Film.

Theoretisch werden derartige Systeme seit Mitte des letzten Jahrhunderts behandelt und es finden sich denkbare magnetischen Moden in einem großen Wellenlängenbereich. Experimentelle Daten stammen unter anderem aus Resonanzexperimenten oder Messungen mit der Brillouin-Lichtstreuung und sind gut verstanden. Derartige Messungen finden in der Frequenzdomäne statt und mit hoher Ortsauflösung kann beispielsweise die Propagation von Spinwellenpaketen untersucht werden. Im Jahr 1996 wurde erstmals die ultraschnelle Antwort eines magnetisierten Films auf die Absorption eines optischen Pulses gemessen und ein Rückgang der Magnetisierung innerhalb einiger hundert Femtosekunden festgestellt. Daran schlossen sich unter anderem rein optische Messungen an, die mit sehr hoher Zeitauflösung von einigen zehn Femtosekunden die Magnetisierungsdynamik in dünnen Schichten oder Mikrostrukturen unterschiedlichster Komposition untersuchten.

Hier wird dieses Feld um schichtdickenabhängige Messung an kontinuierlichen Filmen erweitert. Anders als bisher werden die Auswirkungen einer stark asymmetrischen Anregung untersucht, die aus dem rein optischen Experiment resultieren: Mit einem Laserpuls deponierte Energie sollte in Schichten, deren Dicke die Ein- dringtiefe des Lichtfeldes deutlich überschreitet, magnetische Moden mit ähnlich asymmetrischem Profil anregen. Es existieren jedoch nicht-lineare Wechselwirkungen zwischen unterschiedlichen Moden, die einen Energietransfer von Moden höherer Energie in Richtung solcher niedriger Energie ermöglichen. Im Extremum kann das zu einer Bose-Einstein-Kondensation bei Raumtemperatur führen. Im Rahmen des Theorieteils (Kapitel 1) werden - neben theoretischen Grundlagen zur Magnetisierungsdynamik - verschiedene Moden behandelt, die auf unterschiedlichen Längenskalen oszillieren. Der Schwerpunkt liegt auf Moden, die an der Oberfläche lokalisiert sind und eine vertikale Asymmetrie aufweisen. Es handelt sich dabei um langwellige Moden, die unter Vernachlässigung der Austauschwechselwirkung beschreibbar sind und deren Theorie auf Damon und Eshbach zurückgeht. Die Wichtigkeit der Asymmetrie hat ihren Ursprung in dem experimentellen Aufbau, der zur Untersuchung der Magnetisierungsdynamik Anwendung findet. Er wird in Kapitel 2 beschrieben, wobei das Hauptaugenmerk auf einer qualitativen Darstellung liegt - detaillierte Beschreibungen finden sich in früheren Arbeiten. Kapitel 3 vollzieht die Analyse der Messdaten und eine Kopplung unterschiedlicher Moden wird untersucht. Asymmetrische Moden dominieren bis zu einem kritischen Betrag des externen Magnetfeldes, wohingegen bei höheren Feldern bevorzugt volumenhomogene Moden angeregt werden. Durch Fouriertransformation der Daten in den Frequenzraum wird eine sehr anschauliche Darstellung der gefundenen Effekte ermöglicht, sodass diese im Detail in Kapitel 4 diskutiert werden können. In dem ferromagnetischen Film werden sowohl austauschdominierte als auch dipolartige Spinwellen angeregt, deren Abhängigkeit von angelegtem Magnetfeld und Schichtdicke ausführlich untersucht wird. Daraus gewonnene Resultate werden anschließend ausgenutzt, um die Propagation der gefundenen magnetischen Moden durch Mikrostrukturierung der ferromagnetischen Schichten zu modulieren. Abschließend fasst Kapitel 5 die Ergebnisse zusammen und gibt eine übergreifende Einordnung der vorliegenden Arbeit. Weiterhin werden denkbare experimentelle Erweiterungen diskutiert - so entzog sich die Propagation von Spinwellen in Nickel wegen der starken Dämpfung bisher umfassenden Messungen. In diesem Zusammenhang ist eine hohe Ortsauflösung notwendig, um effektive Pumpmechanismem zu entwickeln, wie sie für die Implementierung logischer Bauteile unerlässlich sind.

Inhaltsverzeichnis:

Textprobe:

Die Experimente, die dieser Arbeit zugrunde liegen, werden mit ultrakurzen Laserpulsen durchgeführt. Dabei findet ein stroboskopisches Prinzip Anwendung, dessen temporale Auflösung nur durch die zeitliche Breite der einzelnen Pulse begrenzt ist. In den Referenzen und wird das Experiment ausführlich und mathematisch stringent beschrieben, sodass an dieser Stelle eine lediglich qualitative Darstellung erfolgt, die dem Leser ein anschauliches Verständnis vermitteln soll. Nachfolgend wird zum Einen in Abschnitt 2.1 die Erzeugung und anschließende Verstärkung der Laserpulse behandelt, zum Anderen werden die damit untersuchten Probensysteme in Abschnitt 2.2 vorgestellt. Die optische Anregung magnetischer Oszillationen in einer dünnen Schicht ist Gegenstand des Abschnitts 2.3, bevor zuletzt in Abschnitt 2.4 das Pump-Abfrage-Experiment beschrieben wird, an dem die Messungen der Magnetisierungsdynamik erfolgen.

Kapitel 2.1, Das Lasersystem: Ausgangspunkt für die Messung der Magnetisierungsdynamik sind möglichst kurze Pulse kohärenten Lichts. Sie werden in einem selbstgebauten Laser erzeugt, dessen schematischer Aufbau in Abb. 2.1 gezeigt ist. Zentrales Bauteil ist ein Al2O3-Kristall, der mit Titan dotiert ist. Wegen seines breiten Emissionsbandes um l = 790nm (FWHM = 200nm) kann dieser Kristall als Lasermedium viele Moden bedienen und findet daher vor allem in Systemen mit durchstimmbarer Wellenlänge Anwendung.

Betreibt man einen derartigen Laser am Rand des Stabilitätsbereichs des kontinuierlichen Modus, so reicht eine kleine Störung des Systems, um es in den Pulsbetrieb zu bringen. Dann werden unterschiedliche Moden in der Kavität so gekoppelt, dass ihre Phasenbeziehung während der Propagation konstant null bleibt. Daraus resultiert eine Superposition derart, dass ein einzelner Puls zwischen den Endspiegeln umläuft. Der Zusammenhang zwischen dessen Breite in Frequenz und Zeitdomäne ist über die Fouriertransformation gemäß Dn Dt ³ const gegeben und erst eine Überlagerung von »105 Lasermoden ergibt Puls dauern Dt im Bereich einiger zehn Femtosekunden. Die spektrale Breite der in unserem Fall erzeugten Pulse beträgt etwa 30nm (FWHM) bei der zentralen Wellenlänge lc = 830nm.

Bei jedem Durchlauf durch den Kristall erfahren die Pulse aufgrund dessen Dispersion eine zeitliche Streckung. Wie Fork und Martinez 1984 belegten, lässt sich diese mit Hilfe zweier Prismen im Strahlengang kompensieren: Die Pulse werden spektral aufgeteilt und ein entsprechend gewählter Weglängenunterschied für die verschiedenfarbigen Anteile führt zu einer zeitlichen Stauchung der Pulse. Mittels Einbau der Prismen unter dem Brewsterwinkel lassen sich Leistungsverluste durch Reflexion an den Grenzflächen minimieren. Die Leistung des Ti:Sa-Lasers im Pulsbetrieb beträgt in unserem Fall etwa 500mW. Bei einer Frequenz von f = 80MHz, die durch die Oszillatorlänge l gemäß f = c(2l) -1 bestimmt wird, hat ein einzelner Puls folglich eine Energie von ungefähr 6 nJ.

Verstärkung der Pulse: Ein Überblick über das gesamte Lasersystem ist in Abb. 2.2 (a) gezeigt. Der grüne Pumplaser Verdi V18 (l = 532nm) der Firma Coherent wird bei einer Leistung von 16, 5W betrieben, von denen 30% ~ 5W zum Pumpen des gepulsten Ti:Sa-Lasers benutzt werden. Die verbleibende Leistung wird in einen zweiten, kommerziellen Ti:Sa-Oszillator eingekoppelt, der als regenerativer Verstärker fungiert (RegA 9050 von Coherent).

In der Kavität des RegA, wie sie in Abb. 2.2 (b) gezeigt ist, befindet sich unter anderem ein akusto-optischer Güteschalter (Q-Switch), der spontanes Lasing verhindert. Die metastabilen Zustände im Lasermedium werden somit bis zur Sättigung besetzt und erst, wenn mit einem zweiten akusto-optischen Bauteil, dem Cavity Dumper (CD), ein einzelner Puls aus dem Ti:Sa Seedlaser eingekoppelt wird, erlaubt der Q-Switch (QS) den Laserbetrieb. Im Anschluss durchläuft der Puls den Oszillator mehrfach und wird bei jedem Durchgang im Ti:Sa-Kristall durch stimulierte Emission verstärkt. Nach etwa 25 Umläufen erfolgt die Auskopplung mit dem CD und der QS verhindert das Lasing erneut, sodass die vom Pumpstrahl eingebrachte Energie wieder im Kristall gespeichert werden kann.

Die Frequenz, mit der Cavity Dumper und Q-Switch betrieben werden, beträgt 250 kHz. Effektiv findet im RegA also eine Verstärkung der Pulse zu Lasten der Wiederhohlrate statt, wobei die Energie der ausgekoppelten Pulse etwa 5 μJ beträgt, was einer mittleren Leistung von 1, 2W entspricht. Wie in Abb. 2.2 (a) gezeigt, befindet sich im Aufbau außerdem ein Expander und Kompressor der Firma Coherent. Zum Einen ist es notwendig, die Pulse vor der Verstärkung zunächst zeitlich zu strecken um die optischen Elemente im RegA zu schonen, zum Anderen muss nach der Verstärkung zusätzlich die Dispersion von Ti:Sa-Kristall und QS des RegA kompensiert werden.

Die Pulse, die schließlich den Kompressor verlassen, haben eine bandbreitenbegrenzte Autokorrelationslänge zwischen 50 und 70 fs, wobei die mittlere Leistung von maximal 800mW mit Hilfe eines l/2-Plättchens in Kombination mit einem Polarisator in p-Richtung für das Experiment reduziert werden kann.