Ultrafast Optical Investigation of Spin Relaxation in GaAs/AlGaAs Heterostructure and Quench Switching in Antiferromagnetic CuMnAs

Abstract

ii Title: Ultrafast Optical Investigation of Spin Relaxation in GaAs/AlGaAs heterostructure and Quench Switching in Antiferromagnetic CuMnAs Author: Miloslav Surýnek Department: Department of Chemical Physics and Optics Supervisor: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D., Department of Chemical Physics and Optics Abstract: This thesis investigates ultrafast spin-related dynamics in a semiconductor GaAs/AlGaAs heterostructure and in a thin layer of antiferromagnetic metal CuMnAs using a variety of pump-probe experiments. Study of the GaAs/AlGaAs interfacial electron subsystem with an exceptionally long spin lifetime led to the demonstration that spin polarization can be optically erased on a picosecond timescale. In CuMnAs, an effect termed "quench switching" was discovered, in which absorption of a femtosecond laser pulse heats the material to the vicinity of the Néel temperature and subsequent rapid cooling drives it into a metastable magnetically disordered state with higher resistance (up to 20% at room temperature). We experimentally separated the heat-related and magnetic-related components of resistance dynamics, which occur on very different timescales (picosecond to nanosecond, and millisecond to second, respectively) and can serve as a form of short- and long-term memory in a single analog memory device. We...

iii Název práce: Studium spinové relaxace v GaAs/AlGaAs heterostruktuře a quench- přepínání v antiferomagnetu CuMnAs ultrarychlými optickými metodami Autor: Miloslav Surýnek Oddělení: Katedra chemické fyziky a optiky Školitel: prof. RNDr. Petr Němec, Ph.D., Katedra chemické fyziky a optiky Abstrakt: Tato práce se zabývá ultrarychlou spinově závislou dynamikou v polovodičové heterostruktuře GaAs/AlGaAs a v tenké vrstvě antiferomagnetického kovu CuMnAs, které byly studovány pomocí několika variant metody excitace a sondování. Studium elektronového podsystému na rozhraní GaAs/AlGaAs, vyznačujícího se mimořádně dlouhou spinovou relaxací, vedlo k demonstraci možnosti optického smazání přítomné spinové polarizace na pikosekundové časové škále. V materiálu CuMnAs byl objeven jev zvaný "quench switching", při kterém vlivem absorpce femtosekundového laserového pulzu dojde k ohřátí materiálu do blízkosti Néelovy teploty a následné rychlé ochlazení jej uvede do metastabilního magneticky neuspořádaného stavu s vyšším odporem (až o 20 % při pokojové teplotě). Experimentálně jsme od sebe oddělili dvě rozdílné složky dynamiky změny odporu: související se zvýšením teploty (pikosekundy až nanosekundy), resp. se změnou magnetického uspořádání (milisekundy až sekundy). Ty mohou ve studované analogové součástce...