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B11: Multiferroische Dynamik an oxidischen Grenzflächen

Ziel dieses Teilprojektes ist das Verständnis der gekoppelten Dynamik in multiferroischen, epitaktischen Heterostrukturen unter dem Einfluss externer Felder. Das Hauptziel ist der Nachweis und die Quantifizierung der dynamischen Kopplung zwischen den beiden multiferroischen Parametern Polarisation und Magnetisierung. Systeme, die untersucht werden, sind vorrangig ferroelektrische Schichten mit ferromagnetischen Elektroden. Aus epitaktischen Heterostrukturen, bestehend aus leitender Basiselektrode, epitaktischer ferroelektrischer Schicht sowie ferromagnetischer Deckelektrode werden die Proben mittels Photo- oder Elektronenstrahllithographie hergestellt. Die Dynamik der multiferroischen Kopplung zwischen Polarisation und Magnetisierung wird untersucht, indem wahlweise Magnetisierung/Polarisation angeregt und der komplementäre Parameter (Polarisation/Magnetisierung) gemessen wird.

Zuerst wird der Einfluss der Magnetisierung auf die Polarisation festgestellt. Die Probe befindet sich in der Nähe eines Wellenleiters, durch den mit kurzen Strompulsen Magnetfeldpulse erzeugt werden können. Die Kopplung der Schaltprozesse der Magnetisierung an die elektrische Polarisation, d.h. die magnetoelektrische Kopplung, wird mit konventioneller dynamischer Messung der ferroelektrische Polarisation (PUND-Positive-up-negative-down-Messung) nachgewiesen.

Später wird mittels zeitaufgelöstem Magnetooptischem Kerr Effekt (t-MOKE) der Einfluss der Polarisation auf die Magnetisierung festgestellt. Die Polarisation des Ferroelektrikums wird mit kurzen elektrischen Pulsen umgeschaltet. Die Magnetisierung der Deckelektrode wird kurze Zeit während und nach diesem Umschaltprozess mit MOKE bestimmt. Die Laserpulse, die zur t-MOKE eingesetzt werden, werden gleichzeitig zur Synchronisation der elektrischen Pulse genutzt. Unterstützt werden diese Untersuchungen durch ferromagnetische Resonanzmessungen (FMR) mit verschiedenen Ansätzen. Mit Frequency-Domain Messungen wird das Spinpumpen durch eine ferroelektrische Zwischenschicht untersucht. Außerdem werden in Ferroelektrikum/Ferromagnet-Bilagen die Änderung der Anisotropie des Ferromagneten bei Anlegen einer Spannung ans Ferroelektrikum verfolgt. Im fortgeschrittenen Stadium werden Zeitbereichsmessungen durchgeführt, in denen Pulsinduzierte FMR (PIM) mit kurzen elektrischen Spannungspulsen am Ferroelektrikum synchronisiert wird. Hierbei können die Pulse zeitlich gegeneinander verschoben werden, so dass es möglich ist, während der Präzession der Magnetisierung das Ferroelektrikum anzuregen.

Die experimentellen Untersuchungen werden von der Theorie eng begleitet. Unser Zugang zur multiferroischen Dynamik beruht auf einer Kopplung der ferromagnetischen Dynamik, die wir auf dem Niveau der Landau-Lifshits-Gilbert-Gleichung beschreiben, mit der Polarisationsdynamik, die in Abwesenheit der multiferroischen Kopplung durch die Landau-Ginzburg-Theorie erfasst wird. Die numerische Umsetzung auf einem Gitter erlaubt uns die multiferroische Dynamik unter dem Einfluss äußerer elektromagnetischer Felder zeitlich und örtlich zu verfolgen. Weiterhin werden wir die FMR-Signale für die Experimente unter Einbeziehung von Temperatureffekten ausrechnen. Ein spezielles Augenmerk gilt dabei dem Einfluss der multiferroischen Kopplung an den Grenzflächen auf die gemessenen FMR-Signale.