Identifizierung und Kontrolle ultraschneller Spindynamik in Ferromagneten durch massgeschneiderte Felder

• Antragstellerinnen: Dr. Andrea Eschenlohr; Professorin Dr. Sangeeta Sharma, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 281310490

Wir analysieren durch intensive elektromagnetische Felder ausgelöste Spindynamik von epitaktischen ferromagnetischen Übergangsmetallfilmen und an Grenzflächen. Dabei zielen wir auf Kontrolle dieser Dynamik durch Optimierung und Maßschneidern der intensiven Felder im sichtbaren und infraroten Spektralbereich. Im Rahmen unserer experimentellen und theoretischen Zusammenarbeit führen wir eine vollständige ab initio Untersuchung mittels zeitabhängiger Dichtefunktionaltheorie der durch Femtosekunden-Laserpulse ausgelösten Entmagnetisierung durch. Dieses Phänomen nutzen wir für unsere Analyse der elektronischen Spin- und Ladungsträgerdynamik mit besonderem Augenmerk auf spinabhängigem Ladungstransfer, der Spin-Bahn-Wechselwirkung und der Kopplung an die Bewegung der Ionenrümpfe. Parallel führen wir eine experimentelle Studie durch, die Femtosekunden-zeitaufgelöste lineare und nicht-lineare Magneto-Optik verwendet. Dieses Vorgehen ermöglicht es, dynamische, spinabhängige Effekte in Folge der Spin-Bahn-Wechselwirkung, elektronischer Streuprozesse mit phononischen Anregungen sowie Spin-Transfer und -Transporteffekten, die durch das den Ferromagneten weit aus dem Gleichgewicht treibende externe Feld ausgelöst werden, zu analysieren. In der ersten Förderperiode haben wir mit Hilfe unseres gemeinsamen theoretisch-experimentellen Vorgehens spinabhängigen Ladungstransfer und durch die Spin-Bahn-Wechselwirkung induzierte Spin-Flips in der ultraschnellen Entmagnetisierung von Co/Cu(001) identifiziert. Darauf aufbauend werden wir mit Hilfe der Theorie Laserpulse für eine optimale Kontrolle der Spindynamik entwickeln. Die erhaltenen optimalen Laserpulse werden in unseren Experimenten zur Verifizierung der Theorie und weiteren Entwicklung eingesetzt. Basierend auf unserem neuentwickelten Ansatz für langreichweitige Physik werden wir einen Code zur Behandlung der Kerndynamik entwickeln, der vollständig mit dem existierenden Paket zu Spin-Ladungs-Dynamik (http://elk.sourceforge.net) verknüpft sein wird. In der ersten Förderperiode haben wir demonstriert, dass optimale Quantenkontrolle so mit letzterem Code verbunden werden kann, dass sich Laserpulse maßschneidern lassen. Letzteres wird durch das Verwenden experimenteller Bedingungen in Bezug auf die Zielfunktionale erreicht. Im Rahmen der experimentellen Aktivität werden wir die Zeitauflösung durch die Verwendung von Pulsen kürzer als 15 fs, die durch nicht-kollineare optisch-parametrische Verstärkung erzeugt werden, weiter verbessern, und die Intensität der treibenden Laserpulse bis zu 10^15 W/cm^2 mit Hilfe optisch-parametrischer Verstärkung gechirpter Pulse erhöhen. Die Identifizierung der experimentell beobachteten Signaturen mit mikroskopischen Prozessen erlauben in Verbindung mit den durch die Theorie gefundenen optimalen Pulsen eine Pulsformung, um die durch maßgeschneiderte Pulse ausgelöste Spindynamik in Richtung eines gewünschten dynamischen Verhaltens zu manipulieren und schließlich zu kontrollieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1840: Quantum Dynamics in Tailored Intense Fields (QUTIF)
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Uwe Bovensiepen