15 M*j ggj. presented by. dipl. phys. ETH. accepted. Time-Resolved Magnetic Measurements in the. Picosecond Range with the Magnetooptical Kerr Effect

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Corrado Cappelli
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1 15 M*j ggj Diss. ETH No Time-Resolved Magnetic Measurements in the Picosecond Range with the Magnetooptical Kerr Effect A dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Natural Sciences presented by DAVIDE GUARISCO dipl. phys. ETH born March 14,1965 citizen of Mendrisio (IT) accepted on the recommendation of Prof. Dr. H.-C. Siegmann, examiner Prof. Dr. F. Meier, co-examiner Prof. Dr. D. Pescia, co-examiner 1995

dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURICH for the degree of Doctor of Natural

2 Abstract In the present work, an apparatus which permits time-resolved probing of the magnetic order on a time scale of picoseconds is described. The magnetization is sensed by the magneto-optical Kerr effect (MOKE), i.e., the change of the polarization state of the light reflected by a magnetized medium. In our setup, the polar Kerr geometry is used. A picosecond laser beam is focused on the sample after passing through a linear polarizer. The intensity of the reflected beam is detected by a photodiode after an analyzer nearly crossed to the polarizer. The Kerr signal is proportional to the intensity of the incident light. It becomes an accurately measurable quantity provided that the background is kept sufficiently low. The output of the ps-laser (typical pulse length 30 ps, X = 577 run) is divided into a pump and a probe pulse by a beam splitter. The time resolution is achieved by ah optical delay (7 ns max.) between the pulses. To compensate for the energy variations of the laser pulses, a small fraction of the probe pulse is detected by a reference photodiode. The laser intensity is measured on a shot-to-shot basis. When a ferromagnet is heated by a short laser pulse, the radiation energy is first absorbed by the electrons, which thermalize in a few picoseconds with the crystal lattice. The coupling between phonons and magnons is much weaker, therefore the spin system follows the temperature rise of the lattice after a significant delay. The spin-lattice relaxation time, i.e., the characteristic time needed for the energy transfer from the lattice to the spin system, was measured directly with timeresolved Kerr effect measurements for amorphous rare earth-transition metal (RE-TM) alloys and for a Co/Pt multilayer. Amorphous RE-TM alloys thin films, a few times the light penetration depth thick, are the standard magneto-optical (MO) recording materials. Co/Pt multilayers, due to their larger Kerr rotation at short wavelength, are the potential materials for the next-generation MO media. Information is stored on MO disks by thermomagnetic writing, that is, the recording medium is heated up locally by a laser pulse. Under the influence of an opposite external magnetic field or the demagnetizing field, the magnetization switches as soon as the external field exceeds the coercive field and information is written in the form of a magnetic domain. The 5

In our setup, the polar Kerr geometry is used. A picosecond laser beam is focused on the sample after passing through a linear polarizer.

3 spin-lattice relaxation time sets a limit to the rate at which data can be written on a MO disk. Its knowledge is therefore important from a technological as well as from a fundamental point The spin-lattice relaxation time xsl of view. has been determined for an a- Gdi3Tbi2Fe75 alloy to be 75±30 ps at ambient temperature (T 297 K). For = the Co/Pt multilayer 10 A Pt (12 A Pt, 4 A Co)xl0 with an underlayer of 100 A Pt evaporated on a Si substrate, rs( was found to be 46±30 ps at T=312K. Further, the magnetization reversal process during thermomagnetic writing was investigated on a picosecond time scale. For the RE-TM alloys the magnetization switching takes place only considerably higher than that required for the spins at laser fluences to reach the Curie temperature. At these laser fluences the spin temperature stays above the Curie temperature for a few nanoseconds. In contrast, with the Co/Pt multilayer the magnetization switches at the same laser fluence needed to reach the Curie temperature. With this sample, thermomagnetic writing is accomplished in 2 ns. 6

has been determined for an a- Gdi3Tbi2Fe75 alloy to be 75±30 ps at ambient temperature (T 297 K).

4 577 Riassunto In questa tesi viene presentata un'apparecchiatura in grado di misurare la magnetizzazione di un materiale con una risoluzione temporale dell'ordine di picosecondi. II metodo usato per saggiare lo stato magnetico e 1'effetto magneto-ottico di Kerr (MOKE), e cioe il cambiamento dello stato di polarizzazione della luce conseguente ad una riflessione su un materiale magnetizzato. In particolare, il presente esperimento fa uso della geometria polare dell'effetto Kerr. Un fascio laser a picosecondi polarizzato linearmente e focalizzato sul campione. L'intensita della luce riflessa e misurata con un fotodiodo dopo che il raggio e passato attraverso un analizzatore posto quasi nella posizione di estinzione. II segnale derivante dell'effettto Kerr e proporzionale all'intensita del raggio incidente. Esso e misurabile in modo accurato a patto di limitare il rumore di fondo, causato principalmente X - II da luce diffusa. raggio del laser a picosecondi (lunghezza di pulso tipica 30 ps, nm), viene diviso da un prisma in due parti: un pulso-sonda e uno per riscaldare localmente il campione. La risoluzione temporale e ottenuta differendo un pulso rispetto all'altro (il ritardo massimo ottenibile e di 7 ns). Per compensare le oscillazioni nell'energia del laser, una piccola parte del pulso-sonda e deviata su un secondo fotodiodo che serve da riferimento. L'intensita del segnale e misurata pulso per pulso. Quando un materiale ferromagnetico e riscaldato da un laser a pulsi brevi, l'energia della radiazione e in un primo momento assorbita dagli elettroni, i quali termalizzano con il reticolo cristallino in pochi picosecondi. II trasferimento dell'energia al sistema degli spin richiede invece un tempo notevolmente piu lungo, detto tempo di rilasamento spin-reticolo ( rse). tu e stato misurato in modo diretto tramite l'effetto Kerr magneto-ottico con risoluzione temporale per delle leghe amorfe terra rara-metallo di transizione (RE-TM) e per un film sottile multistrato di Co/Pt. Film amorfi RE-TM dello spessore di qualche volta la profondita di penetrazione della luce sono i materiali standard usati come supporto per sistemi di memorizzazione magneto-ottici (MO). Grazie ad un piu grande angolo di rotazione di Kerr per lughezze d'onda corte (~ 400 nm), i film multistrato di Co/Pt sono i candidati per le memorie magneto-ottiche 7

materiale magnetizzato. In particolare, il presente esperimento fa uso della geometria polare dell'effetto Kerr. Un fascio laser a picosecondi polarizzato linearmente e focalizzato sul campione.

5 della prossima generazione. L'informazione e memorizzata sui supporti magneto-ottici per mezzo di un processo detto scrittura termomagnetica. In questo procedimento, un raggio laser e usato per scaldare localmente il supporto magneto-ottico. Per effetto di un campo magnetico esterno e/o del campo di demagnetizzatione, la direzione di magnetizzazione viene invertita non appena questi campi diventano piu grandi del campo coercitivo (fortemente variabile con la temperatura). Una volta che il materiale si e raffreddato, l'informazione risulta scritta sotto forma di un dominio magnetico. II tempo di rilassamento spin-reticolo pone un limite massimo alia velocita con cui i dati possono essere memorizzati in una memoria magneto-ottica, e riveste quindi una grande importanza anche da un punto di vista tecnologico, oltre che da quello della ricerca fondamentale. Per la lega amorfa a-gdi3tbi2fe75 di 1000 A di spessore evaporata su un supporto di vetro, rs( e risultato 75±30 ps a temperatura ambiente (T 297 K). Nel = caso del film multistrato 10 A Pt (12 A Pt, 4 A Co)xl0 con un sottostrato di 100 A Pt evaporato su un substrato di Si, rse e ps (T 312K). = L'inversione della magnetizzazione durante il processo termomagnetica e stata analizzata su una scala di picosecondi. di scrittura Nel caso delle leghe amorfe RE-TM l'inversione della magnetizzazione e possibile solo per energie considerevolmente superiori a quella necessaria perche il sistema degli spin raggiunga la temperatura di Curie. Con pulsi di tale intensita la temperatura degli spin rimane al di sopra della temperatura di Curie per alcuni nanosecondi. Al contrario, nel caso del film multistrato di Co/Pt, e possibile invertire la magnetizzazione con stessa energia per cui la superficie del campione raggiunge la temperatura possibile dimostrare la scrittura termomagnetica in 2 ns. di Curie. E stato cosi 8

Per effetto di un campo magnetico esterno e/o del campo di demagnetizzatione, la direzione di magnetizzazione viene invertita non appena questi campi diventano piu grandi del campo coercitivo

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