Femtosecond spin dynamics in magnetic multilayers employing high harmonics of laser radiation

Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der laser-induzierten, element-selektiven Spin- Dynamik in ferromagnetischen Schichtsystemen auf der Femtosekunden-Zeitskala. Als Modelsystem dienen zwischenschicht-austausch-gekoppelte Ni/Ru/Fe-Schichten, an denen zeitaufgelöste, element-selektive, magneto-optische Messungen an der 3p Absorptionskante von Eisen (54 eV) und Nickel (67 eV) in der Geometrie des transversalen, magnetooptischen Kerr-Effektes (T-MOKE) durchgeführt wurden. Als Strahlquelle wurden im Neon-Gas erzeugte Hohe Harmonische der 1.5 eV Laser-Strahlung verwendet, deren Pulsdauer weniger als 10 fs beträgt. In Pump-Probe-Experimenten erfolgte die Anregung durch die 1.5 eV Laserpulse und die Messung der Spin-Dynamik durch Pulse von Hohen Harmonischen. Zunächst wurde die element-selektive, temperatur-abhängige Magnetisierungsumkehr der Eisen- und Nickel-Schicht in einem externen Magnetfeld untersucht und die Energie der Zwischenschicht-Austauschkopplung J1 für die antiferromagnetisch gekoppelten Eisen- und Nickel-Schichten aus Magnetometer-Messungen bestimmt. Im nächsten Schritt wurde die Dynamik von J1 auf der Femtosekunden-Zeitskala in Pump- Probe-Experimenten sowohl mit einem 3.0 eV Abfragepuls als auch mit Hohen Harmonischen als Abfragepuls gemessen. Zeit-aufgelöste Messungen der magnetischen Hysteresen haben gezeigt, dass J1 innerhalb von wenigen hundert Femtosekunden nach der Laser- Anregung vorüubergehend reduziert wird, und damit der Dynamik der Magnetisierung von Nickel folgt. Darüberhinaus wurden zeit-aufgelöste, schicht-selektive Messungen für parallele und antiparallele Ausrichtung der Magnetisierung der Eisen- und Nickel-Schicht für unterschiedliche Energiedichten der Anregung (Fluenzen) durchgeführt. Das zentrale und überraschende Resultat der Messungen ist, dass die (untere) Eisen-Schicht für die parallele Ausrichtung innerhalb eines bestimmten Fluenz-Bereiches zeitweise über ihre Gleichgewichts-Magnetisierung, die vor dem Auftreffen der Laser-Anregung gemessen wurde, “aufmagnetisiert” wurde. Für die antiparallele Ausrichtung dagegen, wurde die Eisen-Schicht bei gleicher Fluenz vorübergehend entmagnetisiert.