Spin waves with high energy and momentum in ultrathin Co-films studied by spin-polarized electron energy loss spectroscopy

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurden Spinwellen mit hohenWellenvektoren in dünnen Filmen mit Hilfe der spinpolarisierten Elektronenenergieverlustspektroskopie (spin-polarized electron energy loss spectroscopy, kurz SPEELS) untersucht. Es war zum ersten Mal möglich die Spinwellendispersionen bei hohen Wellenvektoren in dünnen Filmen zu messen. Die Spinwellensignale zeigen eine ausgeprägte Dispersion, so wie sie für eine akustische Oberflächenspinwelle erwartet wird. Diese Dispersion konnte bis zur Oberflächen-Brillouinzonenengrenze verfolgt werden. Der Wellenvektorbereich der Spinwellen, die mit SPEELS untersucht wurden, liegt damit etwa zwei Größenordnungen über dem Bereich, in dem Spinwellen in dünnen Filmen bisher untersucht werden konnten. Andere Methoden, die die Untersuchung von Spinwellen mit hohen Wellenvektorüberträgen erlauben, benötigen viele Größenordnungen mehr an magnetischem Material als SPEELS-Experimente. Der dünnste Film, an dem Spinwellenanregungen mit Hilfe von SPEELS untersucht wurden, war nur 2,5 atomare Lagen dick. Aufgrund des gemessenen hohen Signal-zu-Rauschverhältnises ist zu erwarten, dass sogar atomar dünne magnetische Filme studiert werden können. In dieser Arbeit wurden Spinwellen in den Sytemen fcc und hcp Co mit SPEELS untersucht. Generell zeigten die gemessenen Spinwellen in beiden Systemen ähnliche Eigenschaften.

In this work, a clear proof was given that spin waves with high energy and momentum can be studied by spin-polarized electron energy loss spectroscopy (SPEELS). These measured spin wave signals show a strong dispersion as expected for an acoustic spin wave branch. The SPEELS-measurements allow the investigation of the spin wave dispersion up to the surface Brillouin zone boundary. The thinnest film under investigation in these studies was only 2.5 atomic layers thick. Using SPEELS we, therefore, were able to investigate spin waves at wave vector transfers about two orders of magnitude higher than what has been accessible by established techniques for thin film studies. Compared to inelastic neutron scattering, several orders of magnitude less magnetic material is required for a detectable spin wave signal. From the good signal to noise ratio in the SPEELSmeasurements, the detection of high wave vector spin waves in a single atomic layer thin film of magnetic material seems possible. In this work, spin wave excitations in hcp and fcc Co were investigated. The two different phases have been stabilized by the substrates Cu(001) and W(110), respectively. In general, in both systems similar properties of the measured spin wave excitations were found.