Spin excitations in ultrathin ferromagnets - [kumulative Habilitation]

Abstract

Elementare Spinanregungen (Magnonen) spielen eine fundamentale Rolle in der Physik der kondensierten Materie. Viele Phänomene wie z. B. magnetische Ordnung, elektrische- und Wärme-Transporteigenschaften, ultraschnelle Magnetisierungsprozesse und vor allem Spindynamik können nur dann erklärt werden, wenn diese Quasiteilchen berücksichtigt werden. Darüber hinaus können Magnonen dazu genutzt werden, Informationen zu übertragen und sind daher wichtig für Anwendungen in der modernen Spintronik. Im Rahmen dieser Arbeit werden die elementaren Spinanregungen in ultradünnen Ferromagneten mithilfe der spinpolarisierten Elektronenenergieverlustspektroskopie studiert. Die Dispersionsrelation, Lebensdauer, Gruppen- und Phasen-Geschwindigkeit, gemessen in verschiedenen ultradünnen Ferromagneten,werden im Detail diskutiert. Die Rolle der Temperatur, atomaren Struktur, die Anzahl der Atomlagen, Gitterverspannung und die elektronische Hybridisierung an der Grenzfläche, zwischen Schicht und Substrat, wird ausführlich besprochen. Der Einfluß der relativistischen Spin-Bahn-Kopplung auf Spinanregungen wird diskutiert.

Elementary spin excitations (magnons) play a fundamental role in condensed matter physics. Many phenomena e.g. magnetic ordering, electrical (as well as heat) transport properties, ultrafast magnetization processes, and most importantly spin dynamics can only be understood when these quasi-particles are taken into consideration. In addition to their fundamental importance, magnons can be used to transmit information and hence are important for applications in modern spintronics. In the framework of this work the elementary spin excitations in ultrathin ferromagnets are studied by means of spin-polarized high-resolution electron energy loss spectroscopy. The magnon dispersion relation, lifetime, group and phase velocity, measured using this approach in various ultrathinferromagnets, are discussed in detail. The differences and similarities to the bulk excitations are addressed. The role of the temperature, atomic structure, number of atomic layers, lattice strain, electronic complexes and hybridization at the interface is discussed in detail. The influence of the relativistic spin–orbit coupling on spin excitations is addressed.