Investigation of magnetization dynamics in GaMnAs by ultrafast laser spectroscopy

Abstract

i Abstract: This doctoral thesis is dedicated to the study of magnetization dynamics in ferromagnetic semiconductor (Ga,Mn)As using magneto-optical (MO) spectroscopy methods. The character of the magnetization dynamics after the impact of the laser pulse was investigated under different experimental conditions in an extensive set of optimized (Ga,Mn)As samples with Mn doping ranging from 1.5% to 14%. The thorough analysis of the measured MO signal enabled us to develop a new method that can be used to determine the laser pulse-induced real-space magnetization trajectory without any numerical modelling. Moreover, the investigation of the measured MO signals allowed us to determine the basic micromagnetic properties of (Ga,Mn)As, such as the magnetic anisotropy, the Gilbert damping or the spin stiffness. In addition to this, we found out that the light-induced magnetization precession can be caused by three distinct mechanisms - the sample heating due to the energy transfer from the laser pulses, the angular momentum transfer from the circularly polarized photons, and the influence of the non-equilibrium hole polarization induced by the relativistic spin-orbit interaction. The first of these mechanisms is rather well known but the two remaining ones, which are the optical analogues of the spin-transfer torque...

Tato doktorská práce se zabývá studiem dynamik magnetizace ve feromagnetickém polovodiči (Ga,Mn)As pomocí metod magneto-optické (MO) spektroskopie. Charakter dynamik magnetizace po dopadu laserového pulzu byl zkoumán za různých experimentálních podmínek na široké sadě optimalizovaných vzorků (Ga,Mn)As obsahujících koncentraci Mn atomů v rozmezí od 1,5% do 14%. Díky důkladné analýze měřených MO signálů se nám podařilo vyvinout novou metodu, která umožňuje určit laserovým pulsem vyvolanou trajektorii magnetizace v reálném prostoru bez nutnosti jakéhokoliv numerického modelování. Studium naměřených MO signálů nám také umožnilo určit základní mikromagnetické vlastnosti (Ga,Mn)As, jakými jsou například magnetická anizotropie, Gilbertův faktor tlumení, nebo tzv. spin stiffness. Dále jsme zjistili, že světlem vyvolaná precese magnetizace může mít tři různé příčiny - zahřátí vzorku vlivem přenosu energie z laserových pulzů, přenos úhlového momentu hybnosti z kruhově polarizovaných fotonů a působení nerovnovážné spinové polarizace děr vyvolané relativistickou spin-orbitální interakcí. Zatímco první z těchto mechanizmů je dobře znám, ty dva zbývající mechanismy, které odpovídají optické analogii "spin trasfer torque" a "spin-orbit torque", zatím nebyly v literatuře popsány.