Modulation of the transient magnetization of an EuO/Co bilayer by controlled optical excitation

Abstract

Der ferromagnetische Halbleiter Europiummonoxid (EuO) gilt als vielversprechender Kandidat für neuartige spintronische Anwendungen, da er ein großes magnetisches Moment und starke magneto-optische Effekte mit isolierenden Eigenschaften vereint. Obwohl EuO mit T_C = 69 K die höchste Curie-Temperatur unter den Europiumchalkogeniden aufweist, ist sie für kommerzielle Anwendungen zu niedrig. Viele Ansätze zur Erhöhung von T_C, wie zum Beispiel die Dotierung mit Gd-Ionen oder epitaktische Verformung, wurden bereits erfolgreich untersucht. Jedoch basieren sie alle auf einer Veränderung der Stöchiometrie und Leitfähigkeit des Seltenerdoxids. Das Ausnutzen des Proximity-Effektes könnte eine alternative Herangehensweise für das starke Erhöhen der magnetischen Ordnungstemperatur von EuO darstellen, die gleichzeitig dessen intrinsischen Eigenschaften bewahrt. Dieser Effekt beruht auf der Kopplung an einen Ferromagneten mit hoher Curie-Temperatur und ist in der Literatur für ähnliche System bereits demonstriert worden. In dieser Arbeit wird ein EuO/Co-Zweischichtsystem dünner Filme mittels des statischen und zeitaufgelösten magneto-optischen Kerr-Effekts (MOKE) untersucht, um einen Nachweis für eine erhöhte Curie-Temperatur von EuO aufgrund der Nähe zum Übergangsmetall Co zu finden. Des Weiteren wird der Einfluss von Co auf die Spindynamik von EuO untersucht. Statische Messungen der Hysterese der EuO/Co-Probe zeigen eine antiferromagnetische Kopplung zwischen den beiden ferromagnetischen Schichten. Aufgrund der Überlagerung des Signals beider Schichten übersteigt die Co-Hysterese einen möglichen Restbeitrag von EuO bei erhöhten Temperaturen. Zeitaufgelöste MOKE-Messungen zeigen eine transiente Verstärkung der EuO-Magnetisierung, die auch dann auftritt, wenn selektiv nur das Übergangsmetall angeregt wird. Dieses Verhalten wird auf die Erzeugung eines superdiffusven Spinstroms von Majoritätselektronen bei der Entmagnetisierung der Co-Schicht zurückgeführt. Der Spinstrom breitet sich in Richtung der EuO-Schicht aus, um deren 5d-Zustände zu besetzen, was zu einer ähnlichen Magnetisierungsverstärkung wie bei einer direkten Photoanregung des Seltenerdoxids führt. Die Beiträge beider Schichten zur transienten Spindynamik zeigen entgegengesetze Vorzeichen. Daher bietet die EuO/Co-Probe ein System, in dem die transiente Kerr-Rotation durch Variation externer Parameter wie der Probentemperatur, des angelegten Magnetfelds und der Pumpstrahlfluenz beeinflusst werden kann. Durch eine starke Anregung der Co-Schicht wird ihre Magnetisierung signifikant verringert, wodurch die Hysterese der EuO-Schicht bei transienten Hysteresemessungen zugänglich wird. Sie ist auch noch bei einer Temperatur von 300 K zu beobachten, was auf eine starke Erhöhung der magnetischen Ordnungstemperatur von EuO, bedingt durch die Nähe zu Co, hindeutet.

The ferromagnetic semiconductor europium monoxide (EuO) is a promising candidate for new spintronic applications due to its large magnetic moment and strong magneto-optical effects combined with its insulating properties. Although EuO has the highest Curie temperature among the europium chalcogenides with T_C = 69 K, it still requires excessive cooling in real applications. Many approaches to increase its T_C have been successfully studied, such as doping with Gd ions or epitaxial straining, which inevitably change the stoichiometry and conductivity of the rare earth oxide. An alternative pathway to greatly increase the Curie temperature of EuO while preserving its conductivity and stoichiometry could be based on the magnetic proximity effect. This effect relies on the coupling to a high T_C ferromagnet, and has been demonstrated in the literature for similar systems.

In this thesis, a EuO/Co bilayer of thin films is studied using the static and time-resolved magneto-optical Kerr effect (MOKE) to find an evidence for an elevated EuO T_C due to the proximity to the transition metal Co. Furthermore, the influence of Co on the spin dynamics of EuO is investigated. Static measurements of the EuO/Co bilayer hysteresis reveal an antiferromagnetic coupling between the two ferromagnetic layers. Due to the superposition of the measured signal of both layers, the Co hysteresis exceeds any possible residual EuO contribution to the magneto-optical signal above its bulk T_C. Time-resolved MOKE measurements show a transient enhancement of the EuO magnetization. It is still present when the Co layer is selectively photoexcited by tuning the photon energy of the pump beam below the EuO band gap energy. This behavior is attributed to the generation of a superdiffusive spin current of majority electrons upon demagnetizing the Co layer. It propagates towards the EuO layer to populate its 5d states, inducing a similar magnetization enhancement compared to direct photoexcitation of the rare earth oxide. The two layers of the investigated sample system exhibit a contribution to the transient spin dynamics with opposite signs. Therefore, the EuO/Co bilayer provides a system in which the transient magneto-optical Kerr rotation can be tuned by varying external parameters such as the sample temperature, the applied magnetic field and the pump beam fluence. By strongly exciting the Co layer and thus quenching its magnetization, the EuO hysteresis becomes accessible in transient hysteresis measurements. It persists up to a temperature of 300 K, pointing to an experimental evidence for room temperature magnetic order in EuO induced by proximity to Co.