Kurzfassung
Diese Arbeit befasst sich mit dem Einfluss ultrakurzer Nahinfrarot (nIR) und Extrem-Ultraviolett (XUV) Laserpulse auf Multi-Domänenzustände in besonders dünnen Co/Pt Multilagen. Die laserinduzierten Magnetisierungsdynamiken wurden mit Femtosekunden Zeitauflösung und Nanometer Ortsauflösung, unter Verwendung von zeitaufgelöster magnetischer Kleinwinkelstreuung (TR-mSAXS) an den Freie-Elektronen Lasern (FEL) FLASH in Hamburg und FERMI@Elettra in Trieste, untersucht.
Ein Teil der Arbeit befasst sich mit ultraschneller Demagnetisierung in drei verschiedenen Co/Pt Multilagen mit Gesamtschichtdicken im Bereich der Absorptionslänge von nIR-Strahlung in Co und Pt. Zur Anregung der magnetischen Zustände wurden nIR-Laserpulse unterschiedlicher Fluenz, Pulslänge und Polarisierung verwendet, wodurch wichtige Aspekte ultraschneller Demagnetisierung in solch optisch dünnen Co/Pt Multilagen zum ersten Mal anhand von resonanter magnetischer Streuung gemessen wurden. Insbesondere wird ein Modell vorgeschlagen welches, unter Berücksichtigung theoretischer Vorhersagen, sowohl das Niedrigtemperaturverhalten der Remagnetisierungsdynamik, als auch deren drastische Verlangsamung bei hohen Temperaturen beschreibt. Darin wird die Remagnetisierungsdynamik über den Energieaustausch zwischen einem stark gekoppelten Elektronen–Spinsystem und dem Phononensystem beschrieben.
Ein weiterer Teil der Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von nIR und XUV-Laserpulsen auf die laterale Konfiguration der nanoskopischen Multidomänenzustände. Externe Magnetfelder senkrecht zur Filmebene (OOP) wurden verwendet, um verschiedene Multidomänenzustände
in einer ausgewählten Co/Pt Multilage zu erzeugen. Neben ultraschneller Demagnetisierung, welche unabhängig vom Multidomänenzustand abläuft, treten vergleichsweise langsame, permanente Änderungen im Domänensystem auf, die wiederum vom zugrundeliegenden Multidomänenzustand abhängen. Die permanenten Änderungen werden außerdem nur dann
beobachtet, wenn die nIR und XUV-Laserpulse die Probe gleichzeitig anregen. Da die beobachteten Effekte nicht durch das alleinige Wirken der kombinierten (pump/probe) Peakintensität beschrieben werden können, wird der Schluss gezogen, dass die permanenten Änderungen auch von den Photonenenergien der Laserpulse abhängen. Inbesondere deuten die dauerhaften Änderungen nahe des eindomänigen Zustandes auf laserinduzierte Nukleationsprozesse hin, und somit auf einen neuartigen Mechanismus optisch induzierten Schaltens (AOS), der auf dem Zusammenspiel zweier unterschiedlicher Laseranregungen beruht.
This thesis deals with the impact of ultrashort near-infrared (nIR) and extreme ultraviolet (XUV) laser pulses on the magnetic multi-domain states of particularly thin Co/Pt multilayers. The laser induced magnetization dynamics are investigated with femtosecond time and nanometer spatial resolution utilizing time-resolved magnetic small-angle X-ray scattering (TR-mSAXS) at the free-electron lasers (FEL) FLASH in Hamburg and FERMI@Elettra in Trieste. One part of the thesis deals with ultrafast demagnetization in three different Co/Pt-multilayer samples with total film thicknesses in the range of the attenuation length of nIR radiation in Co and Pt. For excitation of the magnetic states, nIR-laser pulses of different fluence, pulse duration and polarization are used, addressing important aspects of ultrafast demagnetization in such optically thin Co/Pt multilayers, for the first time, by resonant magnetic scattering. In particular, a model that accounts for both the low-temperature behavior of the remagnetization dynamics and its drastic slowing down at high temperatures is proposed, taking into account recent theoretical predictions. Within this model, the remagnetization dynamics are described via energy exchange between a strongly coupled electron–spin system and the phonon system. Another part of the thesis addresses the influence of nIR and XUV-laser (FEL) pulses on the lateral configuration of nanoscopic multi-domain states. Different multi-domain states are generated in a selected Co/Pt multilayer by using out-of-plane (OOP) magnetic fields. Aside from ultrafast demagnetization, that behaves similar for the different multidomain states, permanent lateral domain modifications forming on longer time scales are observed, that do depend on the underlying multi-domain state. Moreover, the permanent modifications only occur if nIR and XUV-laser pulses temporally overlap. Since the action of the combined (pump/probe) peak intensity alone cannot explain the observed effects, it is concluded that the permanent modifications also depend on the photon energies of the laser pulses. In particular, the permanent modifications in the close-to single-domain state point at laser induced nucleation processes and thus a novel all-optical switching (AOS) like mechanism that is based on the interplay of two different laser excitations.