Magneto-optical super-Nyquist sampling of linear and non-linear spin-wave phenomena

Abstract

In dieser Dissertation wird eine neuartige magnetooptische Mikroskopietechnik zur simultanen Detektion von linearer und nichtlinearer Spindynamik im Frequenzraum präsentiert. Ohne die Einschränkung eines festen Frequenzrasters lässt sich eine direkte Vermessung der Spinwellendispersion in Yttrium-Eisen-Granat mit bemerkenswerter Genauigkeit demonstrieren. Zusätzlich ermöglicht die Super-Nyquist Sampling MOKE (SNS-MOKE) Technik ortsaufgelöste Messungen der Spinwellendynamik. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird die SNS-MOKE Methode in einem magnetoelastischen Anregungsschema mittels akustischer Oberflächenwellen angewendet. Abschließend wird SNS-MOKE zur frequenzaufgelösten Untersuchung von nichtlinearen Spinwellenphänomenen in Ni80Fe20 Mikrostrukturen und ausgedehnten Schichten im Bereich niedriger Magnetfelder genutzt. Hier lässt sich die Existenz von kohärenten, nichtlinearen Spinwellen bei ganz- und halbzahligen Vielfachen der Anregungsfrequenz experimentell beweisen.

This thesis presents a novel magneto-optical sampling technique for the simultaneous detection of linear and non-linear spin dynamics in the frequency domain. By overcoming the restriction of a fixed frequency grid, we demonstrate direct mapping of the spin-wave dispersion in yttrium iron garnet with remarkable precision. Moreover, we perform spatially-resolved imaging of spin-wave modes. In the second part we utilize the unique features of super-Nyquist sampling magneto-optical Kerr microscopy (SNS-MOKE) in a magneto-elastic excitation scheme by employing surface acoustic waves as driving mechanism of the spin system. Finally, we use SNS-MOKE to obtain non-linear spin-wave phenomena in Ni80Fe20 microstructures and extended layer samples in the low bias field regime. We demonstrate the existence of coherent non-linear spin waves emerging at integer and half-integer multiples of the driving frequency and propose a phase-locking concept for these non-linear magnons.