Dichroic photoemission electron microscopy imaging of magnetic surfaces

Abstract

In dieser Arbeit werden Ergebnisse der Untersuchung von magnetischen Oberflächen mittels schwellennaher Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) vorgestellt. Hierfür wurde eine neue Ultrahochvakuumkammer aufgebaut, welche mit unterschiedlichen Lichtquellen ausgestattet wurde, insbesondere einem durchstimmbaren Femtosekunden-Faserlaser. Dieser Aufbau bietet eine einzigartige Kombination aus hoher räumlicher und zeitlicher Auflösung in PEEM. Die vielseitigen Möglichkeiten des Aufbaus werden durch die Untersuchung von drei verschiedenen Materialklassen demonstriert, wobei wir uns auf deren unterschiedliche Dichroismus-Kontrastmechanismen fokussieren. Zunächst präsentieren wir Messungen von frei propagierenden Oberflächenplasmonen auf ferromagnetischen Mikrostrukturen, bei welchen der plasmonischen Spin-Hall-Effekt genutzt wird. Anschließend untersuchen wir Realraum- und k-Raum-Bilder, die die magnetische Oberflächenstruktur von ferromagnetischen Dünnschicht- und Einkristallsystemen sowie die Details der je\-weiligen elektronischen $3d$-Bandstruktur aufzeigen. Drittens präsentieren wir erste vorläufige Ergebnisse der Untersuchung des linearen Dichroismus im Antiferromagneten NiO. Die Erkenntnisse dieser Arbeit könnten den Weg für die künftige ultraschnelle Untersuchung und Manipulation von magnetischen Systemen bereiten, welche wiederum die Grundlage für neuartige spintronische Bauelemente bilden könnten.

In this thesis, we investigate magnetic surfaces and microstructures via near-threshold photoemission electron microscopy (PEEM). For this purpose, we built a new ultra-high vacuum chamber in combination with several light sources, notably a tunable femtosecond fiber laser setup. This setup offers a unique combination of high spatial and temporal resolution in PEEM. We point out the capabilities of the setup by investigating three material classes and focus on different dichroism contrast mechanisms. First, we present plasmonic dichroism images of propagating surface plasmon polaritons on ferromagnetic alloy microstructures by utilizing the plasmonic spin-Hall effect. Second, we analyze state-of-the-art real-space and k-space images revealing the in-plane and out-of-plane magnetic surface structure of Ni thin films and Fe single crystals, as well as details of the respective $3d$ electron band structure. Third, we discuss and present first preliminary results of linear dichroism PEEM measurements of a NiO single crystal. These findings may pave the way for future ultrafast investigation and manipulation of magnetic systems in general, which in return could be the foundation for future spintronic devices.