TY - JOUR A1 - Arora, Ashima A1 - Mawass, Mohamad-Assaad A1 - Sandig, Oliver A1 - Luo, Chen A1 - Uenal, Ahmet A. A1 - Radu, Florin A1 - Valencia, Sergio A1 - Kronast, Florian T1 - Spatially resolved investigation of all optical magnetization switching in TbFe alloys JF - Scientific reports N2 - Optical control of magnetization using femtosecond laser without applying any external magnetic field offers the advantage of switching magnetic states at ultrashort time scales. Recently, all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) has drawn a significant attention for potential information and data storage device applications. In this work, we employ element and magnetization sensitive photoemission electron microscopy (PEEM) to investigate the role of heating in AO-HDS for thin films of the rare-earth transition-metal alloy TbFe. Spatially resolved measurements in a 3–5 μm sized stationary laser spot demonstrate that AO-HDS is a local phenomenon in the vicinity of thermal demagnetization in a ‘ring’ shaped region. The efficiency of AO-HDS further depends on a local temperature profile around the demagnetized region and thermally activated domain wall motion. We also demonstrate that the thickness of the film determines the preferential switching direction for a particular helicity. Y1 - 2017 U6 - https://doi.org/10.1038/s41598-017-09615-1 SN - 2045-2322 VL - 7 PB - Nature Publ. Group CY - London ER - TY - GEN A1 - Mawass, Mohamad-Assaad A1 - Arora, Ashima A1 - Sandig, Oliver A1 - Luo, Chen A1 - Unal, Ahmet A. A1 - Radu, Florin A1 - Valencia, Sergio A1 - Kronast, Florian T1 - Spatially resolved investigation of all optical magnetization switching in TbFe alloys T2 - 2018 IEEE International Magnetics Conference (INTERMAG) N2 - High storage density magnetic devices rely on the precise, reliable and ultrafast switching times of the magnetic states. Optical control of magnetization using femtosecond laser without applying any external magnetic field offers the advantage of switching magnetic states at ultrashort time scales, which has attracted a significant attention. Recently, it has been reported and demonstrated the,so-called, all-optical helicity-dependent switching (AO-HDS) in which a circularly polarized femtosecond laser pulse switches the magnetization of a ferromagnetic thin film as function of laser helicity [1]. Afterward, in more recent studies, it has been reported that AO-HDS is a general phenomenon existing in magnetic materials ranging from rare earth - transition metals ferrimagnetic (e.g. alloys, multilayers and hetero-structures system) to even ferromagnetic thin films. Among numerous studies in the literature which are discussing the microscopic origin of AO-HDS in ferromagnets or ferrimagnetic alloys, the most renowned concepts are momentum transfer via Inverse Faraday Effect (IFE) [1-3]and the concept of preferential thermal demagnetization for one magnetization direction by heating close to Tc (Curie temperature) in the presence of magnetic circular dichroism (MCD) [4-6]. In this study, we investigate all-optical magnetic switching using a stationary femtosecond laser spot (3-5 μm) in TbFe alloys via photoemission electron microscopy (PEEM) and x-ray magnetic circular dichroism (XMCD) with a spatial resolution of approximately 30 nm. We spatially characterize the effect of laser heating and local temperature profile created across the laser spot on AO-HDS in TbFe thin films. We find that AO-HDS occurs only in a `ring' shaped region surrounding the thermally demagnetized region formed by the laser spot and the formation of switched domains relies further on thermally induced domain wall motion. Our temperature dependent measurements highlight the importance of attainin... Y1 - 2018 SN - 978-1-5386-6425-4 U6 - https://doi.org/10.1109/INTMAG.2018.8508211 PB - IEEE CY - New York ER - TY - THES A1 - Arora, Ashima T1 - Optical and electric field control of magnetism T1 - Optische und elektrische Feld Kontrolle des Magnetismus N2 - Future magnetic recording industry needs a high-density data storage technology. However, switching the magnetization of small bits requires high magnetic fields that cause excessive heat dissipation. Therefore, controlling magnetism without applying external magnetic field is an important research topic for potential applications in data storage devices with low power consumption. Among the different approaches being investigated, two of them stand out, namely i) all-optical helicity dependent switching (AO-HDS) and ii) ferroelectric control of magnetism. This thesis aims to contribute towards a better understanding of the physical processes behinds these effects as well as reporting new and exciting possibility for the optical and/or electric control of magnetic properties. Hence, the thesis contains two differentiated chapters of results; the first devoted to AO-HDS on TbFe alloys and the second to the electric field control of magnetism in an archetypal Fe/BaTiO3 system. In the first part, the scalability of the AO-HDS to small laser spot-sizes of few microns in the ferrimagnetic TbFe alloy is investigated by spatially resolving the magnetic contrast with photo-emission electron microscopy (PEEM) and X-ray magnetic circular dichroism (XMCD). The results show that the AO-HDS is a local effect within the laser spot size that occurs in the ring-shaped region in the vicinity of thermal demagnetization. Within the ring region, the helicity dependent switching occurs via thermally activated domain wall motion. Further, the thesis reports on a novel effect of thickness dependent inversion of the switching orientation. It addresses some of the important questions like the role of laser heating and the microscopic mechanism driving AO-HDS. The second part of the thesis focuses on the electric field control of magnetism in an artificial multiferroic heterostructure. The sample consists of an Fe wedge with thickness varying between 0:5 nm and 3 nm, deposited on top of a ferroelectric and ferroelastic BaTiO3 [001]-oriented single crystal substrate. Here, the magnetic contrast is imaged via PEEM and XMCD as a function of out-of-plane voltage. The results show the evidence of the electric field control of superparamagnetism mediated by a ferroelastic modification of the magnetic anisotropy. The changes in the magnetoelastic anisotropy drive the transition from the superparamagnetic to superferromagnetic state at localized sample positions. N2 - Die Herstellung zukünftiger magnetischer Datenspeicher erfordert eine hohe Speicherdichte mit entsprechend kleinen Bits. Das Schalten der Magnetisierung kleiner Strukturen benötigt jedoch starke Magnetfelder, die einen hohen Energieverbrauch und Wärmeeintrag verursachen. Daher ist das Schalten von Magnetismus ohne Anlegen eines externen Magnetfeldes ein wichtiges Forschungsthema für potentielle Anwendungen in der Datenspeicherung mit geringem Stromverbrauch. Unter den verschiedenen Ansätzen, die verfolgt werden, heben sich zwei hervor, nämlich i) rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) und ii) magnetoelektrische Kontrolle von Magnetismus. Diese Arbeit soll zu einem besseren Verständnis der physikalischen Prozesse beitragen, die hinter diesen Effekten stehen, sowie neue und aufregende Möglichkeiten für die optische und/ oder elektrische Kontrolle magnetischer Eigenschaften aufzeigen. Daher sind die Ergebnisse dieser Arbeit in zwei Kapitel gegliedert; das erste befasst sich mit dem helizitätsabhängigen optischen Schalten in Eisen-Terbium Legierungen und das zweite Kapitel widmet sich der magnetoelektrischen Kopplung in Hybridsystemen, bestehend aus einer ferromagnetischen Eisenschicht welche auf ferroelektrischen Bariumtitanat gewachsen wurde. Im ersten Kapitel wird die Skalierbarkeit des helizitätsabhängigen optischen Schaltens in ferrimagnetischen Eisen-Terbium Legierungen mit Laserspotgrößen im Mikrometer Bereich untersucht. Photoelektronenmikroskopie (PEEM) in Kombination mit magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) wird verwendet um die resultierende Magnetisierung hochaufgelöst abzubilden. Die Ergebnisse zeigen, dass helizitätsabhängiges optisches Schalten ein lokaler Effekt innerhalb des Laserspots ist, der in der ringförmigen Region in der Nähe der thermischen Entmagnetisierung auftritt. Innerhalb der Ringregion erfolgt die Umkehr der Magnetisierung über thermisch aktivierte Domänenwandbewegung. Des Weiteren berichtet die Arbeit über einen neuartigen Effekt der die Helizitätsabhängigkeit mit zunehmender Schichtdicke umkehrt. Auch werden wichtigen Fragen wie der Rolle thermischer Effekt oder die mikroskopische Ursache helizitätsabhängigen Schaltens beleuchtet. Der zweite Teil der Arbeit konzentriert sich auf die elektrische Kontrolle des Magnetismus in einer künstlichen multiferroischen Heterostruktur. Die Probe besteht aus einem Eisen-Keil mit einer Dicke zwischen 0:5 nm und 3 nm, der auf einem ferroelektrischen und ferroelastischen Bariumtitanat abgeschieden ist. Hier wird der magnetische Kontrast als Funktion des elektrischen Feldes untersucht. Die Ergebnisse belegen die Möglichkeit superparamagnetische Bereiche per elektrischen Feld zu steuern. Die magnetelektrische Kopplung erfolgt durch eine ferroelastische Modifikation der magnetischen Anisotropie. Die Änderungen in der magnetoelastischen Anisotropie erlauben elektrisches Schalten zwischen dem superparamagnetischen zu dem superferromagnetischen Zustand. KW - magnetism KW - X-ray magnetic circular dichroism (XMCD) KW - all-optical helicity dependent switching KW - multiferroic heterostructure KW - photo-emission electron microscopy (PEEM) KW - magnetischem Röntgendichroismus (XMCD) KW - Photoelektronenmikroskopie (PEEM) KW - Magnetismus KW - multiferroischen Heterostruktur KW - rein optisches helizitätsabhängiges Schalten (AO-HDS) Y1 - 2018 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:kobv:517-opus4-421479 ER -