Magnetisierungsumkehr und -dynamik in Exchange-Bias-Systemen

Tillmanns, Andrea; Güntherodt, Gernot

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-13522

Magnetisierungsumkehr und -dynamik in Exchange-Bias-Systemen

Tillmanns, Andrea (Author)

2005 & 2006

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Andrea Tillmanns

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2005

UmfangII, 171 S. : graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2005

Prüfungsjahr: 2005. - Publikationsjahr: 2006

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Güntherodt, Gernot (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2005-02-21

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-13522
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/52128/files/Tillmanns_Andrea.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Magneto-Optik (frei) ; Exchange Bias (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Die vorliegende Dissertation beschreibt magneto-optische Untersuchungen an Exchange-Bias-Schichtsystemen. Als Exchange Bias (EB) bezeichnet man eine unidirektionale Anisotropie, die durch die Kopplung zwischen einem Ferro- und einem Antiferromagneten entsteht. Der magneto-optische Kerr-Effekt (MOKE) erlaubt die Detektion der longitudinalen (parallel zu einem äußeren Feld) sowie der transversalen Magnetisierungskomponente (senkrecht zu einem äußeren Feld). Wie in dieser Arbeit gezeigt wird, lassen sich beide Messungen innerhalb eines einzigen optischen Aufbaus realisieren. Ein magneto-optischer Pump-Probe-Aufbau bietet zudem die Möglichkeit, die Ummagnetisierungsprozesse zeitaufgelöst (auf ps-Zeitskalen) zu studieren. Von besonderem Interesse sind asymmetrische Ummagnetisierungsvorgänge, die nur aus EB-Systemen bekannt sind und gewöhnlich auf verschiedene Ummagnetisierungsmechanismen – kohärente Rotation auf einer Seite der Hysterese, Domänenwandnukleation und -propagation auf der anderen – zurückgeführt werden. Die gemessenen Signale lassen sich mit einer Simulation reproduzieren, die auf der kohärenten Rotation eines einzigen magnetischen Momentes beruht. Die Formen der gemessenen MOKE-Signale erlauben die Bestimmung der winkelabhängigen Energiedichte für die untersuchten Proben; der Exchange Bias stellt sich als Ursache der beobachteten Asymmetrien heraus. Im zweiten Teil dieser Arbeit zeigen zeitaufgelöste Messungen an Exchange-Bias-Systemen eine Präzession der Magnetisierung um das effektive Feld, nachdem der Pump-Puls durch eine lokale Erwärmung die Anisotropien in der Probe verändert hat. Die Präzession erfolgt auf der Zeitskala von einigen zehn Picosekunden. Die Untersuchung der Präzessionsfrequenz in Abbhängigkeit von der Probenorienierung erlaubt wiederum die genaue Bestimmung der Energiedichtefunktion sowie der Anisotropiekonstanten der jeweiligen Probe. Zum Abschluß wird eine Methode vorgestellt, die die Separation der longitudinalen, transversalen und polaren (senkrecht zur Probenoberfläche) Magnetisierungskomponente ermöglicht. Hierdurch lassen sich die dreidimensionalen Trajektorien abbilden, die die präzedierenden magnetischen Momente beschreiben. Auf diese Weise lassen sich neben den statischen auch die zeitaufgelösten Bewegungen der magnetischen Momente vollständig darstellen.

The present thesis describes magneto-optical analyses of exchange bias thin film systems. Exchange bias (EB) is a unidirectional anisotropy originating from coupling of a ferromagnetic with an antiferromagnetic layer. The magneto-optical Kerr effect (MOKE) allows for detection of the longitudinal (parallel to an external field) as well as the transverse magnetization component (perpendicular to an external field). As shown in this thesis, both measurement can be performed within a single optical setup. Additionally, a magneto-optical pump-probe-setup provides the possibility of studying time-resolved magnetization reversal (on timescales of ps). Here, asymmetric magnetization reversal processes are of special interest. They have only been observed in EB systems and are generally attributed to different reversal mechanisms – coherent rotation on one side of the hysteresis loop, domain wall nucleation and propagation on the other side. The observed signals can be reproduced with a simulation that deals with the coherent rotation of a single magnetic moment. The shapes of the measured hysteresis loops allow for determination of the angle dependent energy density function of the studied samples. The exchange bias turns out to be the cause for the observed asymmetries. In the second part of this thesis, time-resolved measurements of exchange bias systems show a precession of the magnetization around the effective field after the pump pulse has changed the anisotropies of the sample by means of a local heating. The precession occurs on a timescale of some ten picoseconds. Analysis of the precession frequency depending on the sample orientation again allows the exact determination of the energy density function as well as the anisotropy constants of the particular sample. Finally a method is presented which permits seperation of the longitudinal, transverse and polar (perpendicular to the sample surface) magnetization components. Thus the three-dimensional trajectories describing the precessing magnetic moments can be imaged. In this manner, the time-resolved motions can be displayed in addition to the static ones.

Fulltext:
PDF
(additional files)