We report a femtosecond pump-probe magneto-optical Kerr effect (MOKE) microscopic system enabling the study of vectorial spin dynamics with submicron spatial resolution using an 11-fs pulsed laser source. We applied the system to investigate the spin precessional motion of a patterned disk of Permalloy placed in an in-plane biasing magnetic field. The vector components of the spins perpendicular to the field`s direction showed a phase difference of about π/2, which represents an elliptic motion in the magnetic phase trajectory. A numerical calculation utilizing the Stoner model of the Landau-Lifshitz-Gilbert equation yielded a damping parameter of α = 0.016. A theoretical simulation with the shape of the magnetic field pulse, considering surface recombination of the photoconductive switch and multiple reflections of the waveguide, accurately predict the experimental observation of vectorial precessional motion.
We devised the phenomenological method to exactly quantify the phase difference between precessional components and derived the analytic relation of the phase difference via the linearlized LLG equation with the assumption of low value of a scalar uniform damping constant, which well predicts the simulation result. We apply this method to the experimental data and calculate the phase lag angle of ~2°. This implies that an origin of the phase-lag angle is a non-zero damping constant.
We report spatially non-uniform relaxation of spin precessional motion in a confined Permalloy microdisk. Non-uniform relaxation is examined with the relaxation time distributions of spin-wave modes using the wavelet transform technique. The spatial relaxation variation is found to be caused mainly by the mode conversion and the superposition of the fundamental mode and magnetostatic backward volume wave mode. The experimental data are in good agreement with micromagnetic simulations.
펨토초 펌프-프로브 MOKE 현미경을 사용해서 마이크로 크기의 퍼멀로이 원형 박막시료에서 외부 바이어스 자기장을 x-축 방향으로 가하여 y-축과 z-축 자화 성분을 측정하였다. 상호작용을 배제한 단일자구의 Landau-Lifshitz-Gilbert 방정식에 자기장 펄스 모양을 변화시키면서 세차운동의 벡터성분을 계산하였다. 계산한 세차운동의 벡터성분들이 실험에서 관찰한 세차운동의 벡터성분들 값에 모두 잘 일치하는 자기장 펄스 모양을 찾았다. 찾은 자기장 펄스 모양은 감쇄 초기에는 지수함수적으로 감소하다가 시간이 지남에 따라 지수함수보다 느리게 감쇄하는 형태를 띠었다. 자성시료의 감쇄상수를 변화시키면서 계산한 시뮬레이션 결과에서 감쇄상수가 0.016일때 실험에서 관찰한 세차운동의 감쇄 경향을 잘 예측하였다. 자기 위상 궤적이 타원형 나선 궤도를 보였기때문에 $M_y$ 와 $M_z$ 의 세차운동은 같은 주기를 갖고서 대략 90° 의 위상차를 보임을 알 수 있었다.
벡터 스핀의 이완현상을 관찰한 실험보고들에서 나타나는 위상차를 현상적으로 정량화 할 수 있는 방법을 고안하였고 선형화한 Landau-Lifshitz-Gilbert 식에서 감쇄상수와 관련이 있는 관계식을 구함으로써 감쇄 현상으로 인해 발생하는 위상차도 계산할 수 있었다. 이들 관계식으로부터 구한 위상차이는 근사적으로 92°였으며 이로부터 감쇄상수에 의해 위상차가 2° 이동하였음을 알 수 있었다.
지름이 마이크로 크기로 제한된 원형 박막시료에서 국소 이완시간의 공간 분포가 불균일함을 관찰하였다. 이러한 불균일 이완 운동에는 스핀파 모드가 중요한 역할을 하고 있음을 발견하였다. 웨이브릿 변환 방법을 사용하여 F 모드와 3개의 antinode를 갖는 MSBVW 모드 사이에 분포하는 주파수 성분이 불균일 이완시간을 생성하는 주요 성분임을 밝혔다. F 모드와 3개의 antinode를 갖는 MSBVW 모드의 합성 이완시간에 대한 분석을 통해서 이들 스핀파 모드들 상호간의 모드변환과 중첩 현상이 마이크로 크기로 제한된 원형 박막시료에서 국소 이완시간의 불균일 공간분포에 결정적인 영향을 준다고 판단하였다.
