High wave vector spin waves in ultrathin Fe films on W(110) studied by spin-polarized electron energy loss spectroscopy

Abstract

Mit Hilfe der spinpolarisierten Elektronenenergieverlustspektroskopie (SPEELS) wurden Spinwellen mit hohen Wellenvektoren in ultradünnen Eisenfilmen auf W(110) untersucht. Die Untersuchung erfolgt entlang der [001] Richtung mit in-plane Wellenvektoren von 0,3 Å-1 bis 1,1 Å-1. Bei Raumtemperatur zeigen die Spinwellen in 2 Monolagen (ML) dicken Eisenfilmen eine klare Dispersionsrelation. Die Spinwellenenergie erreicht dabei ein Maximum von 170 meV an der Brillouinzonengrenze. SPEEL-Spektren von Eisenfilmen mit einer Dicke zwischen 1 ML und 2 ML zeigen, dass die beobachteten Spinwellen hauptsächlich in Doppellagenbereichen entstehen. Für 1 ML Fe/W(110) werden SPEELS-Messungen bei einer Temperatur von 120 K durchgeführt. In diesem Fall zeigt die magnetische Anregung erniedrigte Energien im Bereich von 20 meV bis 60 meV. Es wurden ebenfalls Messungen an dickeren Eisenfilmen (bis zu 24 ML) ausgeführt. Die Verlauf der Spinwellenanregungen als Funktion der Schichtdicke wurde untersucht. Die Spinwellendispersion in den Eisenfilmen wird im Heisenberg-Modell diskutiert. Die daraus resultierenden Austauschparameter für 1 ML und 2 ML Fe/W(110) befinden sich in guter Übereinstimmung mit den Ergebnissen früherer Studien an magnetischen Domänenwänden. Aus der Intensitätsverteilung der Spinwellen in den SPEEL-Spektren, werden die Lebensdauer und die räumliche Verteilung der Spinwellen in 2 ML Fe/W(110) abgeschätzt. Die experimentellen Ergebnisse werden mit theoretischen Berechnungen auf Grundlage der Theorie itineranter Elektronen verglichen. Dabei zeigt die Dickenabhängigkeit der Spinwellensteifigkeit eine gute Übereinstimmung mit den berechneten Werten. Basierend auf einem Vergleichen zwischen experimentellen Ergebnissen und theoretischen Berechnungen werden die Peaks in der Spinwellenanregung in dickeren Eisenfilmen erklärt.

The high wave vector spin waves in the ultrathin Fe films on W(110) are studied using the spin-polarized electron energy loss spectroscopy (SPEELS). The spin waves are probed along the [001] direction with the in-plane wave vector from 0.3 Å-1 to 1.1 Å-1. For the 2 monolayers (ML) Fe film measured at room temperature, the spin waves reveal a clear dispersion relation. The spin wave energy reaches to about 170 meV at the Brillouin zone boundary. The SPEEL-spectra for the Fe films between 1 ML and 2 ML demonstrate that the observed spin waves are mainly excited in the double layer regions. For the 1 ML Fe/W(110), the SPEELS measurements are performed at 120 K. The magnetic excitations reveal the lower energy in the range from 20 meV to 60 meV. The SPEELS measurements are also performed for the thicker Fe films (up to 24 ML). The evolution of the spin wave excitations as function of the Fe film thickness is observed. The spin wave dispersions in the Fe films are discussed within the Heisenberg model. The obtained exchange parameters for 1 ML and 2 ML Fe/W(110) are in good agreement with the results from the existing studies of the magnetic domain walls. From the intensity distribution of the spin waves in the SPEEL-spectra, the lifetime and spatial distribution of the spin waves in 2 ML Fe/W(110) are estimated. The experimental results are also compared with the calculations based on the itinerant electron theory. The thickness dependence of the spin wave stiffness show good agreement with the theoretical calculations. The explanation of spin wave peaks observed for the thick Fe films is proposed based on the comparison between the experimental data and the calculations.