Um die Eigenschaften magnetischer Phänomene zu entschlüsseln, ist eine Beobachtung auf deren fundamentalen Längen- und Zeitskalen hilfreich. Neben rein wissenschaftlichen Interessen an nanoskaligen Magnetsystemen im Femto- und Pikosekunden-Bereich, versprechen tiefere Einblicke unter anderem Anwendungen hin zu schnelleren, nicht flüchtigen Speichermedien mit wachsender Datendichte. Allerdings verlangt diese Form der Beobachtung modernste Versuchsaufbauten, um die Magnetisierung einer Probe mit hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung zu messen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei neue Instrumente zur zeitaufgelösten Abbildung magnetischer Nanostrukturen aufgebaut:
Ein kompaktes zeitauflösendes Raster-Kerr-Mikroskop (TR-SKM) für die Analyse der Dynamik strukturierter magnetischer Medien mittels des magnetooptischen Kerr-Effektes (MOKE) in Kombination mit Femtosekunden-Laserpulsen für stroboskopische Anrege-Abfrage Experimente. Eine neuartige Pumpquelle in Form eines elektrooptischen Schalters mittels einer Magnesium Fotokathode ermöglicht die Erzeugung intensiver, breitbandiger elektronischer Strompulse, um magnetische Systeme durch das transportierte dynamische Magnetfeld anzuregen. Dies ermöglicht jitterfreie Messungen an isolierten Spinwellenpaketen in Permalloy (Ni80Fe20) mit einer Zeitauflösung < 30 ps und einer räumlichen Auflösung < 560 nm. Die orts- und zeitaufgelösten Daten lassen eine globale Analyse der dynamischen Parameter der Wellenpakete zu. Erstmals konnten Backward-Volume Moden mit einer entgegengesetzten Gruppen- und Phasengeschwindigkeit direkt in Permalloy nachgewiesen werden.
Für Versuche, die eine erhöhte Ortsauflösung benötigen, wurde zusätzlich ein mobiles synchrotronstrahlungsbasiertes Vollfeld-Röntgentransmissionsmikroskop mit Zeitauflösung (TR-MTXM) an der P04 Strahlführung der hoch-brillanten Speicherringquelle PETRA III bei DESY aufgebaut, die monochromatische weiche Röntgenstrahlung generiert. Dabei lässt sich die Magnetisierung einer Probe über den zirkularen magnetischen Röntgendichroismus (XMCD) mit einer Zeitauflösung < 250 ps und einer Ortsauflösung < 65 nm abbilden. Experimente zur Anregung von magnetischen Permalloy-Nanostrukturen mit einem synchronisierten Femtosekunden-Lasersystem und einem elektronischen Pikosekundenpulser mit hoher Feldstärke wurden durchgeführt. Magnetische Wirbelstrukturen konnten durch homogene Ausrichtung des Großteils der magnetischen Momente in einen Nichtgleichgewichtszustand überführt werden und sowohl bei Ausrichtung als auch Relaxation zeitlich beobachtet werden. Dabei war es möglich eine reproduzierbare Regeneration der Wirbelstruktur mit stabiler Chiralität und Polarität zu erreichen sowie ungewöhnlich hohe Kerngeschwindigkeiten zu beobachten. Zudem wurden Machbarkeitsstudien zu nicht-reversiblen Schaltvorgängen in magnetischen Ketten und Feldern initiiert, die einen aktiven Rückschaltimpuls benötigen.
To unravel the nature of magnetism, an investigation at its fundamental length- and time-scales has to be tackled. Besides pure research interest of the processes occurring in nanoscopic magnetic systems in the femto- and picosecond range, advancing knowledge experiences promising applications toward faster non-volatile memory devices with increased data storage density. However, this exploration demands state-of-the-art experimental setups sensitive to detect the magnetization with superior spatial and temporal resolution. In this work two new instruments for time-resolved imaging of magnetic nanostructures have been set up:
A tabletop time-resolved scanning Kerr microscope (TR-SKM) capable of analyzing the dynamics of patterned magnetic media using the magneto-optic Kerr effect (MOKE) in combination with femtosecond laser pulses to carry out stroboscopic pump-probe experiments. With a novel pump approach utilizing a magnesium photocathode as electrooptical switch, the generation of intense, broadband electronic current pulses becomes possible for excitation of magnetic systems with the transported transient magnetic field. This enables jitter-free measurements on isolated spin-wave packets in permalloy (Ni80Fe20) with a temporal resolution < 30 ps and a spatial resolution < 560 nm. The spatially and temporally resolved data set permits a global analysis of the dynamic parameters defining the wave-packet. For the first time, a direct observation of backward volume modes with counterpropagating group and phase velocities in permalloy became possible.
For examinations requiring an increased spatial resolution, a mobile synchrotron radiation based full-field time-resolved magnetic transmission X-ray microscope (TR-MTXM) has been set up at the soft X-ray beamline P04 of the high-brilliance storage ring PETRA III at DESY with a temporal resolution < 250 ps and a spatial resolution < 65 nm. The magnetization of a sample is accessible via the X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). Experiments to stimulate magnetic permalloy nanostructures with synchronized femtosecond laser pulses as well as picosecond electronic current pulses of large amplitudes have been carried out. Vortex magnetization patterns were forced into a non-equilibrium state by aligning the majority of the magnetic moments into one direction and the evolution of the domain pattern destruction and recovery could be monitored in time. A reproducible recovery of the vortex pattern with stable chirality and polarity and unusually high vortex core velocities could be observed. Feasibility studies on nonreversible switching processes in need of an active reset stimulus in magnetic chains and arrays have been initiated.