Longitudinale röntgendetektierte ferromagnetische Resonanz

Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine neuartige Messapparatur zur Detektion der Ferromagnetischen Resonanz mittels Röntgenabsorption (XFMR) in longitudinaler Geometrie aufgebaut. Als Detektionsmechanismus wird bei den Messungen erstmalig der Kompensationsstrom verwendet, der durch die bei der Röntgenabsorption ausgelösten Elektronen entsteht. Die Messapparatur erlaubt neben der Detektion der Röntgenabsorption auch die gleichzeitige Messung der konventionellen Ferromagnetischen Resonanz (FMR) über die reflektierte Mikrowellenleistung. Die Mikrowellenfrequenz und Amplitude sind dabei frei wählbar und können im Rahmen des Mikrowellengenerators und des Mikrowellenverstärkers gezielt eingestellt werden, sodass auch frequenzabhängige Messungen der FMR möglich sind. Der Messaufbau ist dabei vollständig Ultrahochvakuumkompatibel und kann an Synchrotron-Strahllinien sowohl im harten als auch im weichen Röntgenbereich eingesetzt werden. Zur Untersuchung der elementspezifischen Magnetisierungsdynamik wurden Röntgenzirkulardichroismus (XMCD) basierte XFMR Messungen sowohl an der Fe L3;2 als auch an der Co L3;2-Kante durchgeführt. Aufgrund der geringen Mikrowellenleistung, die verwendet wurde, um eine zu starke Störung des Systems und thermische Effekte zu verhindern, ist der Öffnungswinkel der präzedierenden Magnetisierung klein (< 1) und somit die Signalstärke in der longitudinalen Geometrie sehr gering. Folglich ist eine sorgfältige Analyse der physikalischen Effekte, die mit der Absorption von Mikrowellen und Röntgenstrahlung und deren Detektion zusammenhängen, notwendig. Diese erlaubt die Separation der daraus resultierenden nicht-elementspezifischen und nicht-magnetischen Signalen von den auf die Magnetisierung empfindlichen durch den XMCD-Effekt hervorgerufenen XFMR-Signalen. Als ein wesentlicher Einfluss wurde dabei die Temperaturänderung der Probe und die damit verbundene Änderung der elektrischen Leitfähigkeit, der Kristallstruktur oder der Magnetisierung identifiziert. Auch die Veränderung der Magnetfeldverteilung vor der Probe und Zeiteffekte wurden berücksichtigt, indem die Messapparatur und die verwendeten Messroutinen derart optimiert wurden, dass diese Effekte minimiert werden. XFMR-Messungen wurde sowohl in Abhängigkeit von der Photonenenergie als auch von dem externen Magnetfeld durchgeführt. Hierbei zeigte sich bei genauer Analyse nach den Polarisationsrichtungen sigma+ und sigma -, dass das XFMR-Signal für eine Polarisationsrichtung deutlicher ausgeprägt ist und sich für die Elemente Co und Fe umgekehrtes Verhalten zeigt

Europium cyclooctatetraene nanowire carpets: A low-dimensional, organometallic, and ferromagnetic insulator

We investigate the magnetic and electronic properties of europium cyclooctatetraene (EuCot) nanowires by means of low-temperature X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) and scanning tunneling microscopy (STM) and spectroscopy (STS). The EuCot nanowires are prepared in situ on a graphene surface. STS measurements identify EuCot as an insulator with a minority band gap of 2.3 eV. By means of Eu M5,4 edge XMCD, orbital and spin magnetic moments of (−0.1 ± 0.3)μB and (+7.0 ± 0.6)μB, respectively, were determined. Field-dependent measurements of the XMCD signal at the Eu M5 edge show hysteresis for grazing X-ray incidence at 5 K, thus confirming EuCot as a ferromagnetic material. Our density functional theory calculations reproduce the experimentally observed minority band gap. Modeling the experimental results theoretically, we find that the effective interatomic exchange interaction between Eu atoms is on the order of millielectronvolts, that magnetocrystalline anisotropy energy is roughly half as big, and that dipolar energy is approximately ten times lower

Direct visualization of dynamic magnetic coupling in a Co/Py bilayer with picosecond and nanometer resolution

We present a combination of ferromagnetic resonance (FMR) with spatially and time-resolved X-ray absorption spectroscopy in a scanning transmission X-ray microscope (STXM-FMR). The transverse high frequency component of the resonantly excited magnetization is measured with element-specifity in a Permalloy (Py) disk - Cobalt (Co) stripe bilayer microstructure. STXM-FMR mappings are snapshots of the local magnetization-precession with nm spatial resolution and ps temporal resolution. We directly observe the transfer of angular momentum from Py to Co and vice versa at their respective element-specific resonances. A third resonance could be observed in our experiments, which is identified as a coupled resonance of Py and Co.Comment: Version submitted to Physical Review Applied with updated author list and supplemental information (Ancillary file

Microwave soft x-ray microscopy for nanoscale magnetization dynamics in the 5-10 GHz frequency range

We present a scanning transmission x-ray microscopy setup combined with a novel microwave synchronization scheme in order to study high frequency magnetization dynamics at synchrotron light sources. The sensitivity necessary to detect small changes of the magnetization on short time scales and nanometer spatial dimensions is achieved by combination of the developed excitation mechanism with a single photon counting electronics that is locked to the synchrotron operation frequency. The required mechanical stability is achieved by a compact design of the microscope. Our instrument is capable of creating direct images of dynamical phenomena in the 5-10 GHz range, with 35 nm resolution. When used together with circularly polarized x-rays, the above capabilities can be combined to study magnetic phenomena at microwave frequencies, such as ferromagnetic resonance (FMR) and spin waves. We demonstrate the capabilities of our technique by presenting phase resolved images of a 6 GHz nanoscale spin wave generated by a spin torque oscillator, as well as the uniform ferromagnetic precession with ~0.1 deg amplitude at 9 GHz in a micrometer-sized cobalt strip.Comment: 9 pages, 7 figure

Element-Specific Study of Magnetic Anisotropy and Hardening in SmCo5−x_{5-x}Cux_{x} Thin Films

This work investigates the effect of copper substitution on the magnetic properties of SmCo$_{5}$ thin films synthesized by molecular beam epitaxy. A series of thin films with varying concentrations of Cu were grown under otherwise identical conditions to disentangle structural and compositional effects on the magnetic behavior. The combined experimental and theoretical studies show that Cu substitution at the Co$_{3g}$ sites not only stabilizes the formation of the SmCo$_{5}$ structure but enhances magnetic anisotropy and coercivity. Density functional theory calculations indicate that Sm(Co$_4$Cu$_{3g}$)$_5$ possesses a higher single-ion anisotropy as compared to pure SmCo$_{5}$. In addition, X-ray magnetic circular dichroism reveals that Cu substitution causes an increasing decoupling of the Sm 4\textit{f} and Co 3\textit{d} moments. Scanning transmission electron microscopy confirms predominantly SmCo$_{5}$ phase formation and reveals nanoscale inhomogeneities in the Cu and Co distribution. Our study based on thin film model systems and advanced characterization as well as modeling reveals novel aspects of the complex interplay of intrinsic and extrinsic contributions to magnetic hysteresis in rare earth-based magnets, \textit{i.e.} the combination of increased intrinsic anisotropy due to Cu substitution and the extrinsic effect of inhomogeneous elemental distribution of Cu and Co