Inverse Faraday effect and optical orientation under excitation with a train of optical pulses in solid state systems
Creators: name: Jäckl, Manuel
Publisher: name: Technische Universität Dortmund
Year: 2017
Subjects: subject: Magnon
subject: Spin waves
subject: Inverse Faraday effect
subject: Magneto-optical effect
subject: Ultrafast photonics
subject: Semiconductor physics
subject: 530
subject: Halbleiterphysik
subject: Magnetooptischer Effekt

description: Ein großer Teil der wissenschaftlichen Forschung beschäftigt sich heutzutage mit möglichen Alternativen zur bisherigen Informationstechnologie. Ein heißer Kandidat sind Spin Waves (SW) um Ladungen als Informationsträger abzulösen, wodurch Ohmische Verluste verringert werden würden. Die Erzeugung durch ultrakurze Laserpulse liefert einige Vorteile gegenüber der konventionelleren Methode mit Mikrowellen-Antennen. Fokussierte Laserstrahlen dienen hier als Punktquelle der SW und erlauben die Kontrolle der Ausbreitungsrichtung oder das Auswählen der jeweiligen SW Klasse. Ein einzlener Laserpuls erzeugt jedoch nur SW mit einem sehr breiten Frequenzspektrum, was sich in kurzen Propagationslängen und geringen Amplituden niederschlägt. In unserem Ansatz induzieren wir über den inversen Faraday Effekt eine Magnetisierungspräzession in magnetischen Bismuth-Eisengranat-Filmen mit zurkular polarisierten Femtosekunden Laserpulsen. Regen wir das System jedoch periodisch an mit einem Lasersystem basierend auf der ASOPS Technolgie und mit 1 GHz Repetitionsrate, so dass das Pulsintervall kürzer als die Relaxationszeit der Präzession ist, dann kann die Amplitude signifikant verstärkt werden. Diese kollektive Anregung der Magnetisierung erzeugt eine quasistationäre Quelle an SWs, eine kohärente Akkumulation von Magnonen ("Magnonen Wolke"). Dieser Ansatz hat einige Vorteile: (i) Die Magnonen Quelle ist verstimmbar, (ii) die SW Amplitude kann deutlich verstärkt werden, (iii) das Spektrum der erzeugten SWs ist sehr schmal was zu wesentlich längeren Propagationslängen führt, (iv) die SW Amplitude ist annäherend ohne zeitliche Dämpfung sobald die SW sich 20 µm oder mehr von der Quelle entfernt haben und (v) die SW Emission hat eine verstellbare Vorzugsrichtung. Wenn der Q-Faktor der angeregten Mode sehr groß ist, also ihre Lebensdauer deutlich länger als das Pulsintervall ist, dann lässt sich die Wellenlänge der erzeugten SWs zwischen 15 und einigen hundert Mikrometer verstellen indem die externe Magnetfeldstärke oder die Pulsrate nur leicht verändert werden. Die vorgestellten Resultate erweitern die Möglichkeiten der ultraschnellen, kohärenten optischen Manipulierung der Magnetisierung und liefern neue Methoden zur SW Erzeugung und Kontrolle, was für zukünftige Anwendungen in der Datenverarbeitung wichtig sein kann. Auf der anderen Seite kann die optische Orientierung (optical orientation) ein nützliches Werkzeug sein um Spin Kohärenz- und Dephasierungszeiten zu bestimmen. Die Probe, eine CdTe/CdMgTe Quantentopf-Halbleiter-Struktur, wird wieder periodisch mit zirkular polarisierten Laserpulsen angeregt, welche eine Spinpräzession in dieser anregen. Wenn resonant angeregt wird, so verstärkt sich die Präzessionsamplitude und aus ihrer Resonanzlinie kann die Spin-Dephasierungszeit T*2 und der Lande-Faktor g bestimmt werden.