Erzeugung hoher Harmonischer (HHG)

Ein wichtiger Schritt zum Verständnis der Spindynamik in komplexen magnetischen Legierungen und Mehrfachschichten erfordert die Untersuchung optisch induzierter Femtosekundentransienten mit Elementselektivität. Für solche Messungen werden hochenergetische Photonen im XUV- (10 eV - 120 eV) oder weichen Röntgenspektralbereich (100 eV - 3 keV) benötigt.

Abbildung (a) Versuchsaufbau. Die Laserpumpe (roter Strahl) und die lasergenerierte XUV-Sonde (blauer Strahl) werden von einem einzigen Laserverstärker abgeleitet, um Zeitschwankungen zu minimieren. Das XUV-Licht breitet sich im Vakuum (10−5 mbar) aus und enthält ein Spektrum von Photonen mit Energien zwischen 30 eV und 72 eV. Das Magnetfeld richtet die Probenmagnetisierung M entlang der Richtung quer zur Reflexionsebene aus. In zeitaufgelösten Experimenten regt ein ultrakurzer Laserpuls (rot) den dünnen Film an, bevor er von einem XUV-Puls (blau) elementspezifisch abgetastet wird. Die reflektierte XUV-Strahlung wird am Gitter gebeugt und von der Röntgen-CCD-Kamera erfasst. (b) Winkel- und energieaufgelöste resonante Reflektivität Ni und Fe. Die XUV-Reflektivitäten wurden an einem Synchrotron (BESSY) gemessen. (c) Das gemessene Spektrum des reflektierten XUV-Lichts für zwei entgegengesetzte Richtungen des externen Magnetfelds. Der magnetooptische Effekt in der T-MOKE-Geometrie erreicht bis zu 45 % an den Resonanzrändern von Fe und Ni und ist proportional zur Magnetisierung M der Probe. (d) Die Verfolgung der Entwicklung der XUV-Spektren gegenüber der Pump-Probe-Verzögerung liefert elementselektive Informationen über die Spindynamik in Fe- und Ni-Schichten des Ni/Ru/Fe-Dünnschichtstapels.
Abbildung (a) Versuchsaufbau. Die Laserpumpe (roter Strahl) und die lasergenerierte XUV-Sonde (blauer Strahl) werden von einem einzigen Laserverstärker abgeleitet, um Zeitschwankungen zu minimieren. Das XUV-Licht breitet sich im Vakuum (10−5 mbar) aus und enthält ein Spektrum von Photonen mit Energien zwischen 30 eV und 72 eV. Das Magnetfeld richtet die Probenmagnetisierung M entlang der Richtung quer zur Reflexionsebene aus. In zeitaufgelösten Experimenten regt ein ultrakurzer Laserpuls (rot) den dünnen Film an, bevor er von einem XUV-Puls (blau) elementspezifisch abgetastet wird. Die reflektierte XUV-Strahlung wird am Gitter gebeugt und von der Röntgen-CCD-Kamera erfasst. (b) Winkel- und energieaufgelöste resonante Reflektivität Ni und Fe. Die XUV-Reflektivitäten wurden an einem Synchrotron (BESSY) gemessen. (c) Das gemessene Spektrum des reflektierten XUV-Lichts für zwei entgegengesetzte Richtungen des externen Magnetfelds. Der magnetooptische Effekt in der T-MOKE-Geometrie erreicht bis zu 45 % an den Resonanzrändern von Fe und Ni und ist proportional zur Magnetisierung M der Probe. (d) Die Verfolgung der Entwicklung der XUV-Spektren gegenüber der Pump-Probe-Verzögerung liefert elementselektive Informationen über die Spindynamik in Fe- und Ni-Schichten des Ni/Ru/Fe-Dünnschichtstapels.

XUV- und Röntgenphotonen ermöglichen elementselektive Untersuchungen komplexer magnetischer Legierungen durch Verwendung resonanter Absorption auf flachem Kernniveau an den für ein ausgewähltes Element charakteristischen Absorptionskanten [z. B. 52 eV (Fe), 60 eV (Co), 66 eV (Ni)]. Bei diesen Absorptionsphotonenenergien wird der magnetooptische Kerr-Effekt (MOKE) aufgrund der Spin-Bahn- und Austauschkopplung resonant verstärkt.

Hochenergetische Photonen können in den großen Synchrotronanlagen auf der ganzen Welt erzeugt werden. Vor relativ kurzer Zeit wurde jedoch gezeigt, dass hochenergetische Photonen auch erzeugt werden können, indem ein intensiver Femtosekundenlaserpuls auf eine Ansammlung von Gasatomen fokussiert wird, wodurch hochgradige Harmonische des Grundlaserlichts erzeugt werden, die bis in den XUV-Bereich reichen. Die Reflexion des XUV-Lichts von einem dünnen Mehrschicht- oder Magnetlegierungsfilm führt zu einer Absorptionssteigerung bei der resonanten Photonenenergie des entsprechenden Elements.

In unseren HHG-Experimenten kombinieren wir Elementselektivität mit Femtosekunden-Zeitauflösung, um die magnetische Reaktion von NiFe-Legierungen sowie Ni/Ru/Fe-Mehrschichtsystemen zu untersuchen. Im letzteren Experiment haben wir das

Mehrschichtsystem mit Nahinfrarot-Laserlicht angeregt und die Entwicklung der Magnetisierungsreaktion in den Ni- und Fe-Schichten gleichzeitig, aber getrennt, mithilfe synchronisierter XUV-Abtastpulse beobachtet (siehe Abbildung unter diesem Abschnitt). Nach der optischen Anregung haben wir eine fluenzabhängige Magnetisierungslöschung in Ni und eine Magnetisierungssteigerung in Fe bei paralleler Ausrichtung der Fe- und Ni-Magnetisierungen festgestellt. Wir führten die beobachtete Reaktion auf optisch erzeugte superdiffusive Spinströme zwischen den Schichten zurück (siehe Rudolf et al.).

Publikationen

S. Gang, R. Adam, M. Plötzing, M. von Witzleben, C. Weier, U. Parlak, D. E. Bürgler, C. M. Schneider, J. Rusz, P. Maldonado, and P. M. Oppeneer, Element-selective investigation of femtosecond spin dynamics in nipd magnetic alloys using extreme ultraviolet radiation, Phys. Rev. B 97, 064412 (2018)

https://doi.org/10.1103/PhysRevB.97.064412

S. Eich, M. Plötzing, M. Rollinger, S. Emmerich, R. Adam, C. Chen, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, L. Plucinski, D. Steil, B. Stadtmüller, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, C. M. Schneider and S. Mathias, Band structure evolution during the ultrafast ferromagnetic-paramagnetic phase transition in Cobalt, Sci. Adv. 3, e1602094 (2017)

https://doi.org/10.1126/sciadv.1602094

M. Plötzing, R. Adam, C. Weier, L. Plucinski, S. Eich, S. Emmerich, M. Rollinger, M. Aeschlimann, S. Mathias, and C. M. Schneider, Spin-resolved photoelectron spectroscopy using femtosecond extreme ultraviolet light pulses from high-order harmonic generation, Review of Scientific Instruments 87, 043903 (2016)

https://doi.org/10.1063/1.4946782

C. Weier, R. Adam, D. Rudolf, R. Frömter, P. Grychtol, G. Winkler, A. Kobs, H. P. Oepen, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, and C. M. Schneider, Femtosecond-laser–induced modifications in Co/Pt multilayers studied with tabletop resonant magnetic scattering, Europhysics Letters 109, 17001 (2015)

https://doi.org/10.1209/0295-5075/109/17001

E. Turgut, C. La-o vorakiat, J. M. Shaw, P. Grychtol, H. T. Nembach, D. Rudolf, R. Adam, M. Aeschlimann, C. M. Schneider, T. J. Silva, M. M. Murnane, H. C. Kapteyn, and S. Mathias, Controlling the competition between optically induced ultrafast spin-flip scattering and spin transport in magnetic multilayers, Phys. Rev. Lett. 110, 197201 (2013)

https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.110.197201

D. Rudolf, C. La-O-Vorakiat, M. Battiato, R. Adam, J. M. Shaw, E. Turgut, P. Maldonado, S. Mathias, P. Grychtol, H. T. Nembach, T. J. Silva, M. Aeschlimann, H. C. Kapteyn, M. M. Murnane, C. M. Schneider, and P. M. Oppeneer, Ultrafast magnetization enhancement in metallic multilayers driven by superdiffusive spin current, Nature Communications 3, 1037 (2012)

https://doi.org/10.1038/ncomms2029

Letzte Änderung: 11.02.2025