Spin Dynamics and Manipulation of THz Generation

Abstract

Terahertz (THz) spintronics is an emerging field of research that combines ultrafast optics with spintronics, the manipulation of the spin degree of freedom of electrons. The field of spintronics has led to many advances in the development of electronic devices in recent decades. By integrating it with ultrafast magnetism, it becomes possible to leverage the femtosecond speed of lasers to stimulate the launch of spin currents. The use of THz radiation presents an energy-efficient alternative to optical pulses as it directly targets the excitation of magnons. Conversely, magnetic processes on a picosecond timescale result in the emission of THz radiation.

This work explores both aspects of the topic of THz spintronics. First, we develop a high-energy THz source based on optical rectification in LiNbO₃, with the goal of resonantly exciting the spin dynamics of antiferromagnets. We observe the ferromagnetic and antiferromagnetic uniform magnon modes in the model canted antiferromagnet FeBO₃. In a second part, we explore spintronic THz emitter designs to find novel approaches for manipulating spin currents. These devices, which consist of pairs of ferromagnetic and non-magnetic layers, convert the picosecond dynamics of spin currents into transient charge currents, resulting in the emission of THz pulses. They enable the probing of the dynamics of the ultrafast demagnetization ferromagnets, while also offering an efficient and practical tool for THz generation. Using spin valve-like samples, this work demonstrates their ability to dynamically enhance or suppress the THz emission with the application of a magnetic field, as well as switch the orientation of the THz polarization.

Die Terahertz-Spintronik ist ein aufstrebendes Forschungsgebiet, das die ultraschnelle Optik mit der Spintronik, der Manipulation des Spin-Freiheitsgrads von Elektronen, verbindet. Das Gebiet der Spintronik hat in den letzten Jahrzehnten zu zahlreichen Fortschritten bei der Entwicklung elektronischer Geräte geführt. Durch die Integration von Spintronik und ultraschnellem Magnetismus wird es möglich, die Femtosekundengeschwindigkeit von Lasern zu nutzen, um den Start von Spinströmen zu stimulieren. Die Verwendung von THz-Strahlung stellt eine energieeffiziente Alternative zu optischen Pulsen dar, da sie direkt auf die Anregung von Magnonen abzielt. Umgekehrt führen magnetische Prozesse auf einer Pikosekunden-Zeitskala zur Emission von THz-Strahlung.

Diese Arbeit erforscht beide Aspekte des Themas THz-Spintronik. Zuest Mal entwickeln wir eine hochenergetische THz-Quelle, die auf optischer Gleichrichtung in LiNbO₃ basiert, mit dem Ziel, die Spindynamik von Antiferromagneten resonant anzuregen. Wir beobachten die ferromagnetischen und antiferromagnetischen gleichförmigen Magnonenmoden in dem verkanteten Modell-Antiferromagneten FeBO₃. In einem zweiten Teil untersuchen wir spintronische THz-Emitterdesigns, um neue Ansätze zur Manipulation von Spinströmen zu finden. Diese Bauelemente, die aus Paaren von ferromagnetischen und nichtmagnetischen Schichten bestehen, wandeln die Pikosekunden-Dynamik von Spinströmen in transiente Ladungsströme um und emittieren THz-Pulse. Sie ermöglichen die Untersuchung der ultraschnellen Entmagnetisierungsdynamik von Ferromagneten und bieten gleichzeitig eine effiziente und praktische Methode zur Erzeugung von Terahertzimpulsen. Mit Hilfe von Spin-Ventil-ähnlichen Proben wird in dieser Dissertation die Fähigkeit demonstriert, die THz-Emission durch Anlegen eines Magnetfeldes dynamisch zu verstärken oder zu unterdrücken sowie die Orientierung der THz-Polarisation zu verändern.