Wir untersuchen die Mikrowellen-Photospannung, den Mikrowellen-Photostrom und den Mikrowellen-Photowiderstand in dünnen ferromagnetischen Filmen. Dabei zeigen wir, dass diese in erster Linie vom anisotropen Magnetowiderstand AMR verursacht werden. Der zugrundeliegende Mechanismus ist für die Photospannung und den Photostroms die partielle Gleichrichtung der Mikrowellen-induzierten Hochfrequenzspannung und des Hochfrequenzstroms durch die präzedierende Magnetisierung. Dagegen entsteht der Photowiderstand aufgrund der Änderung des AMRs durch die permanente Dezentrierung der präzedierenden Magnetisierung.
Zusätzlich gibt es auch noch Spin-Transfer Effekte die Mikrowellen-Photospannung generieren können und den bolometrischen Effekt der zu Mikrowellen-Photowiderstand führen kann. Während die Spin-Transfer Effekte nur an Grenzflächen zwischen ferromagnetischen und nicht-ferromagnetischen Medien auftreten, kann der bolometrische Photowiderstand von dem AMR-basierten aufgrund seiner deutlich anderen Reaktionszeit in Bezug auf Änderungen der Mikrowellenintensität unterschieden werden.
Die Magnetisierungs-Präzession - die für die AMR-basierten Effekte verantwortlich ist - kann sowohl von der ferromagnetischen Resonanz (FMR) als auch von Spinwellen-Resonanzen angeregt werden. Für den Fall der FMR haben wir ein theoretisches Modell entwickelt, dass sowohl die Mikrowellen-Photospannung als auch den Mikrowellen-Photowiderstand beschreibt. Dies ermöglicht uns die Berechnung des zugrundeliegenden Hochfrequenz-Magnetfeld Vektors inklusive seiner Phase in Bezug auf den zugehörigen Hochfrequenzstrom. Dabei wird die Phase direkt von der Symmetrie der FMR-Linienform in Magnetfeld-Sweeps widergespiegelt. Wir diskutieren daher die Anwendung des Effekts im Bereich der Hochfrequenz-Magnetfeld Detektion.
Wie bereits oben erwähnt, kann die Mikrowellen-Photospannung nicht nur durch die FMR sondern auch durch Spinwellen erzeugt werden. Diese detektieren wir speziell aufgrund der besonders guten Sensitivität unseres Messaufbaus. Wir finden zum einen stehende Spinwellen senkrecht zu unserem ferromagnetischen Film und zum anderen magnetostatische Moden, die in der Film-Ebene räumlich eingeschränkt sind, speziell Damon-Eshbach und Forward-Volume Moden. Wir diskutieren die zugrundeliegenden Pinning-Bedingung. Der Zugang zu diesen relativ schwachen Moden wurde speziell durch die Nutzung einer vollstänigen On-Chip Technik verbessert, für die wir unsere ferromagnetische Struktur in einen koplanaren Wellenleiter einbetten.
We investigate the microwave photovoltage, microwave photocurrent and microwave photoresistance in ferromagnetic thin films and show that these arise primarily from the anisotropic magnetoresistance (AMR). The underlying mechanism is thereby in the case of the microwave photovoltage and photocurrent that the magnetization precession partially rectifies the microwave voltage and current and that in case of the microwave photoresistance the AMR is altered due to the permanent misalignment of the precessing magnetization with respect to its equilibrium direction.
Additionally, in the case of microwave photovoltage there are also spin transfer effects and in the case of microwave photoresistance also the bolometric effect which both compete with the AMR-based effects. While the spin transfer effects only appear at interfaces between ferromagnetic and non-ferromagnetic media, the bolometric photoresistance effect is found to be distinguishable from the corresponding AMR-based effect due to its very different response time to changes in microwave intensity.
The magnetization precession - which is necessary to evoke the AMR-based effects - can be excited by the ferromagnetic resonance (FMR) but also by spin wave resonances. For the case of the FMR a theoretical model is developed which describes the AMR-induced microwave photovoltage as well as the corresponding microwave photoresistance. This enables us to calculate the underlying rf magnetic field vector and its phase with respect to the corresponding rf current. Thereby the phase is found to be directly reflected by the symmetry of the microwave photovoltage's FMR line shape which in magnetic field sweeps. Application in the field of rf magnetic field sensing is discussed.
As already indicated above - beside from the FMR - the microwave photovoltage can also arise from spin wave excitations which we are able to detect with a distinguished sensitivity by means of our experimental setup. Thereby on the one hand standing spin waves perpendicular to our ferromagnetic film are observed and on the other hand confined magnetostatic modes in the film plane are found, especially Damon-Eshbach and Forward-Volume modes. A discussion of the corresponding pinning conditions is also presented. The access to these relatively weak modes is especially meliorated by our use of an all on-chip technique. This is based on embedding our ferromagnetic structures into a coplanar waveguide which emits the microwaves.