In this thesis, in order to study ultrafast spin dynamics of promising perpendicular magnetic anisotropy materials, we have accomplished two types of optically-induced time-resolved magneto-optical Kerr experiments based on Ti:sapphire femtosecond laser. One type is the ultrafast magnetic field-induced experiment and the other type is the femtosecond laser-induced experiment.
For the field-induced experiment, with the photolithography technique, we have carefully fabricated the $[Co/Pd]_5$ multilayer dot pattern on the photoconductive switch pattern structure which can generate a ultrafast current pulse. Unexpectedly, we could not observe any precessional behavior of Co/Pd sample. Assuming that this overdamped-like motion was attributed to its intrinsic many energy dissipation channels, the Gilbert damping constant, $\alpha$ was estimated to be much larger than one. However, because extrinsic possibilities such as the weak magnetic pulse field and the corrosion of the sample during the lift-off process cannot be excluded, further study needs to be progressed.
For the laser-induced study with completeness, two different samples have been prepared. The amorphous $Tb_{35}Fe_{65}$ alloy film was aimed at the fundamental study on the subpicosecond time regime and the $L1_0$ -ordered $Fe_{50}Pt_{50}$ alloy film has been made with the application point of view. In case of $Tb_{35}Fe_{65}$ sample, interestingly enough, steplike demagnetization has been observed even at a subpicosecond when electrons are not in a thermal equilibrium state. With an extended three-temperature model simulation, we have identified that unusual ultrafast demagnetization is attributed to an energy transfer from a nonthermal electron to a spin system. For the application point of view, we have studied spin precessional dynamics of $L1_0$- ordered $Fe_{50}Pt_{50}$ at a few tens of picosecond time scale. Although its extremely tiny precessional signal, we obviously have detected and anlayzed the precessional motion. With a exponential decaying sinusoidal function simulation, we have extracted valuable parameters of the precessional frequency, $f \sim35$ GHz, the decay time constant, $\tau_{\alpha} \sim13$, and the damping constant, $\alpha \sim 0.32$. These novel values of $L1_0$- ordered $Fe_{50}Pt_{50}$ will make it possible to realize spin switching in ultrafast time scale.
최근 spintronics 분야에서 기록 밀도를 높이기 위해서 수직 자성 재료에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이러한 매체의 속도 향상을 위해서 초고속 시간 영역에서의 스핀 동역학 연구가 활발히 진행되고 있다. 피코초 시간에서의 동역학을 연구하기 위해서 최소 피코초 이하 시간 펄스폭의 시간 분해능을 갖는 `눈(eye)`이 필요한데, 현재 가장 간편하고 널리 쓰이는 방법이 Ti-sapphire 펨토초 레이저를 이용하는 것이다. 40 펨토초 이하의 펄스폭을 갖도록 쉽게 제작이 가능하기 때문에 자기광 커 효과(magneto-optical Kerr effect)를 사용하여 피코초 이하의 시간 분해능으로 스핀 동역학 연구를 가능하게 하고 있다. 본 논문에서는 초고속 스핀 동역학 연구를 위해 펨토초 레이저를 이용하여 자성 물질에 섭동(perturbation)을 인가한 후 자기광 커 효과를 측정하는 방법을 사용하였는데, 초고속 자기장 펄스 유도와 레이저 펄스 유도 두 가지 방법을 적용하였으며 모두 수직 자성을 갖는 시료를 사용하여 실험을 진행하였다.
자기장 펄스 유도 실험을 위해서 먼저 photolithography 방법으로 photoconductive switch를 제작하고 전류가 흐르는 도파로 위에 지름 3 $\mu m$ 의 원형의 Co/Pd multilayer 층을 증착함으로서 시료의 자화방향과 수직으로 자기장 펄스가 인가되도록 제작하였다. 예상과는 달리, 세차 운동은 관측되지 않았으며 Landau-Lifshitz-Gilbert 식으로 추정해 본 결과 감쇄 상수(damping constant)는 1보다 훨씬 큰 값을 얻게 되었다. 보통 감쇄 상수가 0.3 이하의 값을 보인다고 할 때, Co/Pd 시료의 감쇄 상수는 다음과 같은 몇 가지의 이유로 비정상적인 값을 보인다고 예상된다. 첫 번째로 시료 내부적 요소인 낮은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio), 외부적 요소인 약한 자기장 펄스의 원인으로 세차 운동이 크게 보이지 않았을 경우이며, 두 번째로는 photolithography의 lift-off 공정시 화학 약품등에 의한 시료의 변화를 들 수 있다. 이것은 Co/Pd 시료의 에너지 소실(dissipation) 메커니즘의 변화를 야기시키며 거시적으로 감쇄 상수의 변화로 나타나게 된다.
레이저 유도 실험은 시간 영역대를 기준으로 두 부분으로 나누어지는데, 물리적 측면인 초고속 탈자(demagnetization) 메커니즘 규명을 위한 100 fs $\sim$ 10 ps 영역에서는 $Tb_{35}Fe_{65}$ 합금 박막을, 응용적 측면인 세차 운동 연구를 위한 10 $\sim$ 100 ps 영역에서는 $L1_0$-ordered $Fe$_{50}Pt_{50}$ 합금 박막을 사용하였다. TbFe의 경우 초고속 탈자 메커니즘을 위해서는 먼저 자기광 효과로 측정되는 신호가 자기 신호인지 확인하는 과정이 필요하며 이것은 피코초 이하의 영역에서 전자들간의 열적 비평형 상태 때문으로 해석된다. 따라서 bleaching 효과, 격자(lattice)변형, 광학 장비의 비정렬 등의 비자기 신호의 원인을 완벽하게 제거함으로서 측정된 신호는 모두 자기 신호에서 오는 것임을 확인하였다. 피코초 이하의 영역에서 측정된 신호의 형태가 수 피코초 영역대에서 전자와 격자간의 상호작용에서 발생하는 신호의 형태와 다르다는 것을 관찰하였으며, 이를 정성적으로 해석하기 위하여 열적 비평형 상태에 있는 전자들(nonthermal electrons)의 개념을 도입한 extended three-temperature model을 통하여 피코초 이하 영역에서도 열적 비평형 상태에 있는 전자들에 의해 야기되는 탈자 메커니즘을 $Tb_{35}Fe_{65}$ 합금 박막 시료에서 최초로 규명하였다.
10 $\sim$ 100 ps 의 시간 영역의 $L1_0$-ordered FePt 합금 박막 시료의 경우, 큰 수직 자기 이방성 에너지에 기인한 작은 세차 운동 신호를 측정하기 위해서 프로브 빔 입사 각도, 펌프 빔 세기, 자기장 세기 등을 최적화 하였으며, 측정된 세차 운동의 신호는 약 10 ps 의 상당히 빠른 시간에서 시작함을 알 수 있었으며 한 주기 정도의 빠른 감쇄 운동을 보였다. Landau-Lifshitz-Gilbert 식을 사용하여 세차 운동의 주파수 $f \sim35$ GHz, 감쇄 시정수 $\tau_{\alpha} \sim13$ ps, 감쇄 상수 $\alpha \sim 0.32$ 를 얻을 수 있었다. 이것은 반강자성(antiferromagnet)을 제외한 자성 물질의 보고된 값이 $f = 5\sim15$ GHz, $\tau_{\alpha}=100 \sim 1000$ ps 라고 볼 때, $L1_0$-ordered FePt 합금 박막 시료는 세차 운동에 의한 초고속 스핀 스위칭을 구현할 수 있는 충분한 가능성을 시사하고 있다.
