Study of spintronic phenomena in magnetically ordered stuctures using terahertz spectroscopy

Abstract

The main objective of this thesis was to bring the first experimental evidence about the spin-Hall magnetoresistance (SMR) in the Terahertz (THz) spectral range. The time-domain THz spectroscopy (TDTS) was chosen as the main method, and we presented a new experimental scheme, which allows us to observe SMR or magnetoresistive effects with similar symmetry at a wide range of THz frequencies very efficiently. We focused on the study of SMR in the bilayers consisting of either a prototypical ferrimagnetic isolator or of heavy metal (FI/HM) and metallic stacks of ferromagnetic CoFeB and heavy metal Pt layer (FM/HM). While SMR shows a rapid decrease already at the lowest THz frequencies (< 1 THz) in the FI/HM structures, the SMR in FM/HM bilayers persists above 30 THz. These observations are then explained by a different mechanism of SMR. The second part of the thesis is devoted to the construction of the new TDTS setup and an easy-to-use model of the THz setup using the Gaussian description of THz radiation. The simulated results have been compared to corresponding experimental measurements using a spintronic THz emitter (STE). The last part of the thesis describes the emission of intensive THz pulses from large-area STE.

Hlavným cieľom tejto práce bolo priniesť prvý experimentálny dôkaz o existencií spin-Hall magnetorezistencie (SMR) v Terahertzovej (THz) spektrálnej oblasti. Ako hlavnú metódu sme zvolili časovo-rozlíšenú THz spektroskopiu (TDTS) a prezentovali sme experimentálne usporiadanie, ktoré umožňuje pozorovať efektívne SMR alebo iné magnetorezistívne javy s podobnou symetriou v širokom rozsahu THz frekvencií. V rámci tejto práce sme sa zamerali na štúdium dvojvrstiev ferimagnetického izolátoru a ťažkého kovu (FI/HM) a kovových dvojvrstiev feromagnetu CoFeB a ťažkého kovu Pt (FM/HM). Zatiaľ čo SMR v FI/HM štruktúre vykazuje výrazný pokles už v nízkych THz frekvenciách (<1 THz), SMR v dvojvrstvách FM/HM pretrváva aj nad 30 THz. Tieto výsledky sú nasledovne vysvetlené rozdielnymi mechanizmami SMR. Druhá časť tejto práce sa zaoberá konštrukciou nového TDTS experimentálneho usporiadania a jednoduchým modelom THz experimentálneho usporiadania pomocou Gaussovských zväzkov THz žiarenia. Výsledky simulácií boli následne porovnané s príslušnými experimentálnymi meraniami pomocou spintronického THz emitoru (STE). Posledná časť sa venuje popisu intenzívnym laserových pulzov z plošných STE.