Modelling ultrafast demagnetization : a real-space tight-binding approach

Abstract

Ultrashort laser pulses impinging on magnetic materials generate a quenching of the magnetization on a subpicosecond time scale. To explain this rapid demagnetization various spin ip and spin transfer mechanisms are discussed in literature. This work introduces a computational approach to investigate such ultrafast magnetization dynamics by tuning the underlying mechanisms. The presented approach is based on a real-space tight-binding model and includes optical excitation and coupling to an external heat bath. The occupation matrix yields the system's observables and is evolved in time by the Lindblad equation. The present study examines factors that promote e_cient demagnetization: In FM/NM bilayer systems the demagnetization is dominated by the spin transport across the interface, while in homogeneous ferromagnetic systems spin transport from the front to the backside as well as initial disorder of the spin alignments yield important contributions to ultrafast demagnetization.

Ein ultrakurzer Laserpuls verursacht in einem magnetischen Material eine Entmagnetisierung innerhalb von weniger als einer Pikosekunde. In der vorliegenden Arbeit wird ein Berechnungsverfahren vorgestellt, das es ermöglicht diese ultraschnelle Magnetisierungsdynamik durch Manipulation der zugrundeliegenden Mechanismen zu untersuchen. Dieser Ansatz basiert auf der Tight-Binding-Methode im Realraum und beinhaltet sowohl optische Anregung als auch Kopplung an ein externes Wärmebad. Die Besetzungsmatrix enthält die Systemobservablen und wird mithilfe der Lindblad-Gleichung in der Zeit propagiert. Es werden verschiedene Einussfaktoren auf eine ultraschnelle Demagnetisierung herausgearbeitet: In FM/NM Doppelschichten dominiert der Spintransport über die Grenzfläche die Demagnetisierung. In homogenen Ferromagneten begünstigen ein Spintransport von der Vorder- zur Rückseite der Probe, sowie eine Störung der kollinearen Ausrichtung der Spins zu Beginn der Simulation die Demagnetisierung.