Impact of electron correlation on light-induced demagnetization

Abstract

The field of laser-induced ultrafast demagnetization has gathered a lot of attention for its possible technological applications. At the ab initio level, most DFT studies in this area use the local spin-density approximation, known to poorly describe the electronic structure of 3d transition metals. We employ the Hubbard U correction, to better account for Coulomb correlations among the localized d electrons and show that these correlations alter significantly the amount of demagnetization in both ferro- and antiferromagnetic materials. We use it also as a tool to investigate the part played by several laser parameters. At the LSDA level with frozen ions the demagnetization is due to SOC mediated spin flips after optical excitations. This means that the rate of demagnetization depends critically on several parameters of the laser pulse used. Changes in pulse duration and shape influence significantly the outcome. We relate these findings to the electronic structure of the material.

Das Gebiet der ultraschnellen Entmagnetisierung hat aufgrund seiner möglichen technologischen Anwendungen große Aufmerksamkeit erregt. Die meisten Ab-initio-DFTStudien in diesem Bereich verwenden die LSDA, die bekanntermaßen die elektronische Struktur von 3D-Übergangsmetallen schlecht beschreibt. Wir verwenden die Hubbard-U-Korrektur um Coulomb-Korrelationen zwischen den lokalisierten d-Elektronen besser zu berücksichtigen und zeigen, dass diese Korrelationen das Ausmaß der Entmagnetisierung sowohl in ferro- als auch in antiferromagnetischen Materialien erheblich verändern. Wir nutzen es auch um die Rolle verschiedener Laserparameter zu untersuchen. Auf der LSDA-Ebene mit eingefrorenen Ionen ist die Entmagnetisierung auf SOC-vermittelte Spinumschläge nach optischen Anregungen zurückzuführen. So die Entmagnetisierungsgeschwindigkeit entscheidend von mehreren Parametern des verwendeten Laserpulses abhängt. Wir beziehen diese Erkenntnisse auf die elektronische Struktur des Materials.