Spin-dynamics in strongly excited ferromagnetic systems

Abstract

Die Untersuchung der möglichen Mechanismen, die zu der ultraschnellen Demagnetisierung in Ferromagneten führt, welche in zahlreichen Experimenten beobachtet wurde, ist der Gegenstand intensiver Forschung der letzten zwanzig Jahre. In dieser Arbeit wird zeitabhängige Dichtefunktionaltheorie verwendet, um einen möglichen Mechanismus im Detail zu untersuchen: Spin-Flips verursacht durch die Spin-Bahnkopplung. Der erste Teil der Arbeit gibt eine grundlegende Einführung in das verwendete Simulations-Framework. Weiterhin wird eine analytische Diskussion über die entsprechende Spin-Dynamik geführt. Im zweiten Teil wird das Simulations-Framework verwendet, um das Spin-dynamische Verhalten von Ni und Fe zu untersuchen. Es zeigt sich, dass eine Anregung der Systeme zu einer schnellen Reduzierung des Spin-magnetischen Moments führt, welche durch die Spin-Bahnkopplung verursacht ist. Dieser durch die Spin-Bahnkopplung verursachte Prozess wird danach detailliert für Ni untersucht, und es wird unter anderem erklärt, weshalb immer eine Reduzierung des Spin-magnetischen Moments beobachtet wurde.

The investigation of the possible mechanisms leading to the laser induced ultrafast demagnetization in ferromagnets, as observed in various experiments, is the subject of intense research since the last two decades. In this work time-dependent density-functional theory is used to investigate one possible mechanism: spin-orbit coupling mediated spin-ips. The first part of this work gives a detailed introduction to the simulation framework and discusses the corresponding spin-dynamics analytically. In the second part, the simulation framework is applied to study the spin-dynamical response of ferromagnetic Ni and Fe. It is found that the excitation of the system leads, via the spin-orbit coupling, to a fast loss in the spin-magnetic moment in both materials. The spin-orbit coupling mediated loss in the moment is then investigated in detail for Ni, allowing us to explain, for example, why always a loss in the moment is observed.