Magneto-optical ellipsometry and magnetometry of thin films and multilayers

x, 244 p.El objetivo principal de esta tesis ha sido desarrollar el campo de la elipsometría magneto-óptica aplicada a la metrología de películas delgadas y sistemas multicapa de carácter magnético. Para ello, se ha utilizado la técnica generalized magneto-optical ellipsometry (GME). Dicha herramienta puede caracterizar el tensor dieléctrico completo de tales sistemas, que a su vez permite determinar en gran detalle la configuración tridimensional de la magnetización, así como extraer los parámetros ópticos y magneto-ópticos. En la primera parte de la tesis, se introduce la técnica aplicada a procesos de inversión de la magnetización en sistemas de láminas delgadas y se estudia su optimización. En la segunda parte se investigan sistemas de láminas magnéticas que muestran propiedades dieléctricas anisotrópicas. Por un lado, se demuestra la influencia del estado de deformación en las propiedades ópticas y magneto-ópticas en láminas delgadas epitaxiales. Por otro lado, se encuentra que las propiedades dieléctricas de láminas de permalloy (Ni80Fe20) con patrones unidimensionales dependen directamente de su profundidad topográfica. En ambos casos, profundizamos en la figura de la anisotropía magneto-óptica, un efecto comúnmente ignorado y que sin embargo puede llevar a cometer errores en la interpretación de experimentos magneto-ópticos. Finalmente, se ha aplicado la técnica GME al estudio de multicapas de Co/Ag/Co en los que el grosor de la capa intermedia de Ag varía continuamente entre 0.3-3 nanómetros. Este detallado estudio ha permitido hallar un nuevo tipo de acoplamiento magnético anómalo entre las capas ferromagnéticas de Co que tiene su origen en la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya

Magneto-optical ellipsometry and magnetometry of thin films and multilayers

x, 244 p.El objetivo principal de esta tesis ha sido desarrollar el campo de la elipsometría magneto-óptica aplicada a la metrología de películas delgadas y sistemas multicapa de carácter magnético. Para ello, se ha utilizado la técnica generalized magneto-optical ellipsometry (GME). Dicha herramienta puede caracterizar el tensor dieléctrico completo de tales sistemas, que a su vez permite determinar en gran detalle la configuración tridimensional de la magnetización, así como extraer los parámetros ópticos y magneto-ópticos. En la primera parte de la tesis, se introduce la técnica aplicada a procesos de inversión de la magnetización en sistemas de láminas delgadas y se estudia su optimización. En la segunda parte se investigan sistemas de láminas magnéticas que muestran propiedades dieléctricas anisotrópicas. Por un lado, se demuestra la influencia del estado de deformación en las propiedades ópticas y magneto-ópticas en láminas delgadas epitaxiales. Por otro lado, se encuentra que las propiedades dieléctricas de láminas de permalloy (Ni80Fe20) con patrones unidimensionales dependen directamente de su profundidad topográfica. En ambos casos, profundizamos en la figura de la anisotropía magneto-óptica, un efecto comúnmente ignorado y que sin embargo puede llevar a cometer errores en la interpretación de experimentos magneto-ópticos. Finalmente, se ha aplicado la técnica GME al estudio de multicapas de Co/Ag/Co en los que el grosor de la capa intermedia de Ag varía continuamente entre 0.3-3 nanómetros. Este detallado estudio ha permitido hallar un nuevo tipo de acoplamiento magnético anómalo entre las capas ferromagnéticas de Co que tiene su origen en la interacción de Dzyaloshinskii-Moriya

Picosecond pump pulses probe the relevance of hot electrons for the laser-induced phase transition in FeRh

Recent ultrafast photoemission experiments showed signatures of an ultrafast modification of the electronic band structure in FeRh indicative of a ferromagnetic (FM) state that is initiated by a non-equilibrium occupation of the electronic states upon femtosecond laser excitation. We use ultrafast x-ray diffraction to examine the impact of hot electrons on the antiferromagnetic (AFM) to FM phase transition. By increasing the pump-pulse duration up to $10.5\,\text{ps}$, we eliminate hot electrons and see that the nucleation of FM domains still proceeds at the intrinsic timescale of $8\,\text{ps}$, which starts when the deposited energy surpasses the threshold energy. For long pulses, the phase transition proceeds considerably faster than predicted by a convolution of the dynamics observed for ultrafast excitation with the long pump pulse duration. We predict that quite generally, slow photoexcitation can result in a fast response, if the non-linear threshold behavior of a first-order phase transition is involved

Disentangling nucleation and domain growth during a laser-induced phase transition

We use ultrafast x-ray diffraction and the time-resolved polar magneto-optical Kerr effect to study the laser-induced metamagnetic phase transition in two FeRh films with thicknesses below and above the optical penetration depth. In the thin film, we identify an intrinsic 8 ps timescale for the lightinduced nucleation of ferromagnetic domains in the antiferromagnetic material that is substantially slower than the speed of sound. For the inhomogeneously excited thicker film, we additionally identify kinetics of out-of-plane domain growth mediated by near-equilibrium heat transport, which we experimentally verify by comparing Kerr effect experiments in front- and backside excitation geometry

Accelerating the laser-induced phase transition in nanostructured FeRh via plasmonic absorption

By ultrafast x-ray diffraction we show that the laser-induced magnetostructural phase transition in FeRh nanoislands proceeds faster and more complete than in continuous films. We observe an intrinsic 8 ps timescale for nucleation of ferromagnetic (FM) domains in both types of samples. For the continuous film, the substrate-near regions, which are not directly exposed to light, are only slowly transformed to the FM state by domain wall motion following heat transport. In contrast, numerical modeling of the plasmonic absorption in the investigated nanostructure reveals a strong contribution near the FeRh/MgO interface. On average, the absorption is larger and more homogeneous in the nanoislands, enabling the phase transition throughout the entire volume at the intrinsic nucleation timescale

Microscale Metasurfaces for On-Chip Magnetic Flux Concentration

Magnetic metamaterials have demonstrated promising perspectives to improve the efficiency of magnetic flux concentrators. In this work, the effects of downscaling these devices for on-chip integration is investigated. The influence of the non-linear magnetic response of the ferromagnetic components, their magnetic irreversibility, the formation of magnetic domains, as well as the effects of geometry and size of the devices are scrutinized. The results demonstrate that the implementation of metasurfaces at the microscale opens up new technological possibilities for enhancing the performance of magnetic field detectors and remotely charging small electric devices, thus paving the way toward new approaches in information and communication technologies.</p

Control of magnetic vortex states in FeGa microdisks : Experiments and micromagnetics

Magnetic vortices have been an interesting element in the past decades due to their flux-closure domain structures which can be stabilized at ground states in soft ferromagnetic microstructures. In this work, vortex states are shown to be nucleated and stabilized in FeGa and FeGa disks, which can be an upcoming candidate for applications in strain-induced electric field control of magnetic states owing to the high magnetostriction of the alloy. The magnetization reversal in the disks occurs by the formation of a vortex, double vortex or S-domain state. Micromagnetic simulations have been performed using the FeGa material parameters and the simulated magnetic states are in good agreement with the experimental results. The studies performed here can be essential for the use of FeGa alloy in low-power electronics