Kurzfassung
Diese Arbeit beschreibt zwei Arten der Wechselwirkung von Licht mit magnetischen Dünnfilmsystemen. Im ersten Teil der Arbeit wird die resonante Interaktion von harter Röntgenstrahlung mit 57Fe Kernen in einem mikrostrukturierten magnetischen Streifen behandelt. Dabei wird die resonante Wechselwirkung der harten Röntgenstrahlung mit den Kernen ausgenutzt um auf die Magnetisierungsdynamik in der magnetischen Mikrostruktur zurückzuschliessen. Durch Erweiterung der dieser Wechselwirkung zugrunde liegen- den Messmethode durch eine quasi inkohärente Beschreibung, ist es uns gelungen, das Profil einer stehenden Spinwelle in dem Mikrostreifen nachzuweisen. Mit Blick auf die baldige Verfügbarkeit diffraktionslimitierter Synchrotronstrahlungsquellen, eröffnet dies neue Möglichkeiten um tiefenabhängige dynamische Spinprofile in mikro- und nanostrukturierten magnetischen Systemen zu untersuchen.
Im zweiten Teil dieser Arbeit ist das Licht keine Messsonde mehr sondern beeinflusst aktiv die Physik der Probe. Dieser Teil befasst sich mit dem relativ neuen Forschungsfeld der Cavity Elektromagnonik, das darauf basiert, dass sich quantenoptische Effekte aus dem Koppeln von magnetischen Dipolen mit dem magnetischem Feld eines Mikrowellenresonators ergeben. Es ist uns gelungen, anhand der Weiterentwicklung eines quantenoptischen Modells zu zeigen, dass Fano Interferenz durch die Photon Magnon Interaktion bei geringen Kopplungsstärken auftritt. Diese Erkenntnis wird experimentell anhand der Kopplung der Kittel-mode eines Permalloyfilms an die Mode eines Mikrowellenresonators in dem Purcell-Limit bestätigt. Ausserdem wird gezeigt, dass in der entwickelten Fano Form die kohärenten und inkohärenten Anteile der Photon Magnon Interaktion klar dargestellt werden. Der kohärente Teil entspricht der Interferenz der magnonischen und photonischen Kanäle wobei der inkohärente Teil der Photon Magnon Moden Kopplung zugrunde liegt. Schliesslich wird dargelegt, dass anhand der Phasenbeziehungen des generalisierten Fano-Modells der Übergang von der einfachen Interferenz zur komplexen Hybridizierung der Magnon und Photon Moden mit ansteigender Kopplungstärke deutlich gemacht werden kann. Diese Ergebnisse eröffnen eine neue Perspektive im Forschungsfeld Cavity Elektromagnonik, und verbinden die mikroskopischen Parameter des quantenoptischen Modells sowie das Fano Modell mit den gemessenen Reflektivitätslinienformen.
This thesis describes two types of light-matter interactions in magnetic thin films. In the first part, it focuses on the resonant interaction of hard X-rays with 57Fe nuclei in a microstructured magnetic element. Specifically, the resonant nuclear scattering from 57Fe nuclei is used to investigate the spatial dependence of magnetization dynamics in a thin, microstructured magnetic stripe. We develop a quasi incoherent scattering model that allows spatial resolution of a standing spin wave profile in this stripe. These results open up new perspectives for depth dependent investigations of laterally varying dynamic spin structures via nuclear resonant scattering. In the second part of this thesis, the focus moves from light as a spatial probe of the magnetization to the interaction of a photonic cavity mode with the Kittel mode of a magnetic thin film. This change of role occurs in the framework of the novel field of cavity electromagnonics, which utilizes a quantum optical model to describe coupled microwave photon-magnon systems. Here, we extend this model to show that a generalized form of Fano interference emerges from the photonic cavity mode interacting with the Kittel mode at low coupling strengths. This is confirmed experimentally by coupling the Kittel mode of a permalloy film to a microwave cavity in the Purcell regime. In addition, we demonstrate that the developed generalized Fano form reveals a coherent contribution representing interference between the magnon and photon channels and an incoherent contribution due to mode coupling. Finally, we show that a Fano phase picture describes well how generalized Fano interference between the magnonic and photonic systems gives way to mode hybridization as the coupling strength increases. These results offer a new perspective on magnon photon coupling and relate the observed reflectivity lineshapes to the quantum optical model of cavity electromagnonics in a physically meaningful way.