From Magnetodynamics to Spin Dynamics in Magnetic Heterosystems

  • Claus M. SchneiderEmail author
Part of the Springer Series in Materials Science book series (SSMATERIALS, volume 175)


The dynamic behavior of magnetic systems covers a broad range of length and time scales and is of both fundamental interest and technological relevance. The particular challenge in magnetic heterosystems is the need to disentangle the responses of the individual magnetic and chemical components. In this contribution we discuss the results of two complementary experimental approaches addressing element-selective magnetization and spin dynamics. Time-resolved X-ray photoemission electron microscopy (TR-XPEEM) is employed to image the temporal evolution of the magnetization in interlayer exchange-coupled trilayers in the picosecond regime with high lateral resolution. In order to address the femtosecond time scale with element selectivity, we developed a novel pump-probe magneto-optical Kerr effect (MOKE) technique involving higher harmonic generation (HHG) in the extreme ultraviolet regime. We are able to map the spin dynamics of the individual constituents in Permalloy (Ni80Fe20) with a time resolution of better than 100 fs. Combining PEEM with HHG excitation may pave the way to an element-selective magnetic imaging technique in the lab offering femtosecond time resolution.


Domain Wall Magnetic Field Pulse Domain Wall Motion Magnetization Rotation High Harmonic Generation 
These keywords were added by machine and not by the authors. This process is experimental and the keywords may be updated as the learning algorithm improves.



This review covers extensive research activities which have run for several years involving a large number of collaborators. I am indebted to R. Adam, P. Grychtol, D. Rudolf, S. Cramm, I. Krug, and C. Wiemann, as well as M. Aeschlimann (University of Kaiserlautern), S. Mathias (University of Kaiserlautern), T. Silva (NIST Boulder), J.M. Shaw (NIST Boulder), H.T. Nembach (NIST Boulder), C. La-O-Vorakiat (JILA Boulder), E. Turgut (JILA Boulder), M.M. Murnane (JILA Boulder), H.C. Kapteyn (JILA Boulder) A. Kaiser (ALS Berkeley), A. Krasyuk (MPI Halle), and G. Schönhense (University of Mainz) for their collaboration and scientific discussions.

Thanks are due to B. Küpper, C. Bickmann, J. Lauer, H. Pfeifer, and F.-J. Köhne for expert technical assistance. A particular acknowledgement goes to R. Schreiber for skillful sample growth and preparation.

Financial support by the German Ministry of Education and Research (BMBF) under Grant No. 05KS7UK1 and the German Research Foundation (DFG) through Collaborative Research Centre SFB 491 is gratefully acknowledged.


  1. 1.
    R. Wood, J. Magn. Magn. Mater. 321, 555 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    K.Z. Gao, O. Heinonen, Y. Chen, J. Magn. Magn. Mater. 321, 495 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  3. 3.
    I.C.T. Results. New logic: the attraction of magnetic computation (2008).
  4. 4.
    S.E. Russek, R.D. McMichael, M.J. Donahue, S. Kaka, in Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures, vol. II (Springer, Berlin, 2003) Google Scholar
  5. 5.
    D.L. Mills, S.M. Rezende, in Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures, vol. II (Springer, Berlin, 2003) Google Scholar
  6. 6.
    M.D. Stiles, J. Miltat, in Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures, vol. III (Springer, Berlin, 2006) Google Scholar
  7. 7.
    G.P. Zhang, W. Hübner, E. Beaurepaire, J.Y. Bigot, in Spin Dynamics in Confined Magnetic Structures, vol. I (Springer, Berlin, 2002) Google Scholar
  8. 8.
    E. Beaurepaire, J.C. Merle, A. Daunois, J.Y. Bigot, Phys. Rev. Lett. 76, 4250 (1996) ADSCrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    E. Carpene, E. Mancini, C. Dallera, M. Brenna, E. Puppin, S. De Silvestri, Phys. Rev. B 78, 174422 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    M. Krauss, T. Roth, S. Alebrand, D. Steil, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, H.C. Schneider, Phys. Rev. B 80, 180407 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    B. Koopmans, G. Malinowski, F. Dalla Longa, D. Steiauf, M. Fähnle, T. Roth, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, Nat. Mater. 9, 259 (2010) ADSGoogle Scholar
  12. 12.
    K. Carva, M. Battiato, P.M. Oppeneer, Phys. Rev. Lett. 107, 207201 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    B.Y. Mueller, T. Roth, M. Cinchetti, M. Aeschlimann, B. Rethfeld, New J. Phys. 13, 123010 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    G.P. Zhang, W. Huebner, G. Lefkidis, Y. Bai, T.F. George, Nat. Phys. 5, 499 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    J.Y. Bigot, M. Vomir, E. Beaurepaire, Nat. Phys. 5, 515 (2009) CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    M. Battiato, K. Carva, P.M. Oppeneer, Phys. Rev. Lett. 105, 027203 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    A.V. Kimel, A. Kirilyuk, A. Tsvetkov, R.V. Pisarev, T. Rasing, Nature 429, 850 (2004) ADSCrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    A.V. Kimel, A. Kirilyuk, P.A. Usachev, R.V. Pisarev, A.M. Balbashov, T. Rasing, Nature 435, 655 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    C.D. Stanciu, F. Hansteen, A.V. Kimel, A. Kirilyuk, A. Tsukamoto, A. Itoh, T. Rasing, Phys. Rev. Lett. 99, 047601 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    K. Vahaplar, A.M. Kalashnikova, A.V. Kimel, D. Hinzke, U. Nowak, R. Chantrell, A. Tsukamoto, A. Itoh, A. Kirilyuk, T. Rasing, Phys. Rev. Lett. 103, 117201 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    H. Zabel, S.D. Bader, Magnetic Heterostructures: Advances and Perspectives in Spinstructures and Spintransport. Springer Tracts in Modern Physics, vol. 228 (2008) Google Scholar
  22. 22.
    F. Wegelin, D. Valdaitsev, A. Krasyuk, S.A. Nepijko, G. Schönhense, H.J. Elmers, I. Krug, C.M. Schneider, Phys. Rev. B 76, 134410 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    J. Stöhr, S. Anders, IBM J. Res. Dev. 44, 535 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    E. Bauer, J. Phys. Condens. Matter 13, 11391 (2001) ADSCrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    G. Schönhense, H.J. Elmers, S.A. Nepijko, C.M. Schneider, Adv. Imaging Electron Phys. 142, 159 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    H.A. Dürr, C.M. Schneider, in Handbook of Magnetism and Advanced Magnetic Materials, ed. by H. Kronmüller, S. Parkin, vol. III (Wiley, Chichester, 2007), p. 1367 Google Scholar
  27. 27.
    C. Wiemann, A.M. Kaiser, S. Cramm, C.M. Schneider, Rev. Sci. Instrum. 83, 063706 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    G. Schütz, W. Wagner, W. Wilhelm, P. Kienle, R. Zeller, R. Frahm, G. Materlik, Phys. Rev. Lett. 58, 737 (1987) ADSCrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    C. Chen, F. Sette, Y. Ma, S. Modesti, Phys. Rev. B 42, 7262 (1990) ADSCrossRefGoogle Scholar
  30. 30.
    B. Thole, G. van der Laan, G. Sawatzky, Phys. Rev. Lett. 55, 2086 (1985) ADSCrossRefGoogle Scholar
  31. 31.
    G. van der Laan, B. Thole, G. Sawatzky, J. Goedkoop, J. Fuggle, J. Esteva, R. Karnatak, J. Remeika, H. Dabkowska, Phys. Rev. B 34, 6529 (1986) ADSCrossRefGoogle Scholar
  32. 32.
    E. Arenholz, G. van der Laan, R.V. Chopdekar, Y. Suzuki, Phys. Rev. Lett. 98, 197201 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  33. 33.
    M.W. Haverkort, N. Hollmann, I.P. Krug, A. Tanaka, Phys. Rev. B 82, 094403 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    F. Nolting, A. Scholl, J. Stöhr, J. Fompeyrine, H. Siegwart, J.P. Locquet, S. Anders, J. Lüning, E. Fullerton, M. Toney, M.R. Scheinfein, H.A. Padmore, Nature 405, 767 (2000) ADSCrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    I.P. Krug, F.U. Hillebrecht, H. Gomonaj, M.W. Haverkort, A. Tanaka, L.H. Tjeng, C.M. Schneider, Europhys. Lett. 81, 17005 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    I.P. Krug, F.U. Hillebrecht, M.W. Haverkort, A. Tanaka, L.H. Tjeng, H. Gomonay, A. Fraile-Rodriguez, F. Nolting, S. Cramm, C.M. Schneider, Phys. Rev. B 78, 064427 (2008) ADSCrossRefGoogle Scholar
  37. 37.
    C. Schneider, A. Kuksov, A. Krasyuk, A. Oelsner, D. Neeb, S. Nepijko, G. Schönhense, J. Morais, I. Mönch, R. Kaltofen, C.D. Nadaï, N. Brookes, Appl. Phys. Lett. 85, 2562 (2004) ADSCrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    D. Neeb, A. Krasyuk, A. Oelsner, S.A. Nepijko, H.J. Elmers, A. Kuksov, C.M. Schneider, G. Schönhense, J. Phys. Condens. Matter 17, S1381 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    W.K. Hiebert, G.E. Ballentine, L. Lagae, R.W. Hunt, M.R. Freeman, J. Appl. Phys. 92, 392 (2002) ADSCrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    A. Kaiser, C. Wiemann, S. Cramm, C.M. Schneider, J. Phys. Condens. Matter 21, 314008 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  41. 41.
    K. Honda, S. Kaya, Sci. Rep. Tohoku Univ. 15, 721 (1926) Google Scholar
  42. 42.
    C. Scheck, L. Cheng, W.E. Bailey, Appl. Phys. Lett. 88, 252510 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  43. 43.
    S.W. Yuan, H.N. Bertram, Phys. Rev. B 44, 12395 (1991) ADSCrossRefGoogle Scholar
  44. 44.
    N.L. Schryer, L.R. Walker, J. Appl. Phys. 45, 5406 (1974) ADSCrossRefGoogle Scholar
  45. 45.
    M.J. Donahue, D.G. Porter, OOMMF user’s guide, version 1.0. Tech. rep., National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, MD, 1999 Google Scholar
  46. 46.
    P. Grünberg, R. Schreiber, Y. Pang, M. Brodsky, H. Sowers, Phys. Rev. Lett. 57, 2442 (1986) ADSCrossRefGoogle Scholar
  47. 47.
    D.E. Bürgler, P. Grünberg, S. Demokritov, M. Johnson, in Handbook of Magnetic Materials, ed. by K. Buschow, vol. 13 (Elsevier Science, Amsterdam, 2001), p. 3 Google Scholar
  48. 48.
    C.M. Schneider, A. Kaiser, C. Wiemann, C. Tieg, S. Cramm, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 181, 159 (2010) CrossRefGoogle Scholar
  49. 49.
    A. Kaiser, C. Wiemann, S. Cramm, C.M. Schneider, J. Appl. Phys. 109, 07D305 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  50. 50.
    A.M. Kaiser, C. Schöppner, F.M. Römer, C. Hassel, C. Wiemann, S. Cramm, F. Nickel, P. Grychtol, C. Tieg, J. Lindner, C.M. Schneider, Phys. Rev. B 84, 134406 (2011) ADSCrossRefGoogle Scholar
  51. 51.
    W.D. Doyle, E. Stinnett, C. Dawson, L. He, J. Magn. Soc. Jpn. 22, 91 (1998) Google Scholar
  52. 52.
    T.A. Moore, M.J. Walker, A.S. Middleton, J.A.C. Bland, J. Appl. Phys. 97, 053903 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  53. 53.
    J. Vogel, S. Cherifi, S. Pizzini, F. Romanens, J. Camarero, F. Petroff, S. Heun, A. Locatelli, J. Phys. Condens. Matter 19, 476204 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  54. 54.
    F. Dalla Longa, J.T. Kohlhepp, W.J.M. de Jonge, B. Koopmans, Phys. Rev. B 75, 224431 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  55. 55.
    G. Lefkidis, G.P. Zhang, W. Huebner, Phys. Rev. Lett. 103, 217401 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  56. 56.
    G. Malinowski, F. Dalla Longa, J.H.H. Rietjens, P.V. Paluskar, R. Huijink, H.J.M. Swagten, B. Koopmans, Nat. Phys. 4, 855 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  57. 57.
    B. Koopmans, J.J.M. Ruigrok, F.D. Longa, W.J.M. de Jonge, Phys. Rev. Lett. 95, 267207 (2005) ADSCrossRefGoogle Scholar
  58. 58.
    W. Ackermann, G. Asova, V. Ayvazyan, A. Azima, N. Baboi, J. Bähr, V. Balandin, B. Beutner, A. Brandt, A. Bolzmann, R. Brinkmann, O.I. Brovko, M. Castellano, P. Castro, L. Catani, E. Chiadroni, S. Choroba, A. Cianchi, J.T. Costello, D. Cubaynes, J. Dardis, W. Decking, H. Delsim-Hashemi, A. Delserieys, G.D. Pirro, M. Dohlus, S. Düsterer, A. Eckhardt, H.T. Edwards, B. Faatz, J. Feldhaus, K. Flöttmann, J. Frisch, L. Fröhlich, T. Garvey, U. Gensch, C. Gerth, M. Görler, N. Golubeva, H.J. Grabosch, M. Grecki, O. Grimm, K. Hacker, U. Hahn, J.H. Han, K. Honkavaara, T. Hott, M. Hüning, Y. Ivanisenko, E. Jaeschke, W. Jalmuzna, T. Jezynski, R. Kammering, V. Katalev, K. Kavanagh, E.T. Kennedy, S. Khodyachykh, K. Klose, V. Kocharyan, M. Körfer, M. Kollewe, W. Koprek, S. Korepanov, D. Kostin, M. Krassilnikov, G. Kube, M. Kuhlmann, C.L.S. Lewis, L. Lilje, T. Limberg, D. Lipka, F. Löhl, H. Luna, M. Luong, M. Martins, M. Meyer, P. Michelato, V. Miltchev, W.D. Möller, L. Monaco, W.F.O. Müller, O. Napieralski, O. Napoly, P. Nicolosi, D. Nölle, T. Nuñez, A. Oppelt, C. Pagani, R. Paparella, N. Pchalek, J. Pedregosa-Gutierrez, B. Petersen, B. Petrosyan, G. Petrosyan, L. Petrosyan, J. Pflüger, E. Plönjes, L. Poletto, K. Pozniak, E. Prat, D. Proch, P. Pucyk, P. Radcliffe, H. Redlin, K. Rehlich, M. Richter, M. Roehrs, J. Roensch, R. Romaniuk, M. Ross, J. Rossbach, V. Rybnikov, M. Sachwitz, E.L. Saldin, W. Sandner, H. Schlarb, B. Schmidt, M. Schmitz, P. Schmüser, J.R. Schneider, E.A. Schneidmiller, S. Schnepp, S. Schreiber, M. Seidel, D. Sertore, A.V. Shabunov, C. Simon, S. Simrock, E. Sombrowski, A.A. Sorokin, P. Spanknebel, R. Spesyvtsev, L. Staykov, B. Steffen, F. Stephan, F. Stulle, H. Thom, K. Tiedtke, M. Tischer, S. Toleikis, R. Treusch, D. Trines, I. Tsakov, E. Vogel, T. Weiland, H. Weise, M. Wellhöfer, M. Wendt, I. Will, A. Winter, K. Wittenburg, W. Wurth, P. Yeates, M.V. Yurkov, I. Zagorodnov, K. Zapfe, Nat. Photonics 1, 336 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  59. 59.
    H.N. Chapman, A. Barty, M.J. Bogan, S. Boutet, M. Frank, S.P. Hau-Riege, S. Marchesini, B.W. Woods, S. Bajt, W.H. Benner, R.A. London, E. Plonjes, M. Kuhlmann, R. Treusch, S. Dusterer, T. Tschentscher, J.R. Schneider, E. Spiller, T. Moller, C. Bostedt, M. Hoener, D.A. Shapiro, K.O. Hodgson, D. van der Spoel, F. Burmeister, M. Bergh, C. Caleman, G. Huldt, M.M. Seibert, F.R.N.C. Maia, R.W. Lee, A. Szoke, N. Timneanu, J. Hajdu, Nat. Phys. 2, 839 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  60. 60.
    A. Locatelli, T.O. Mentes, M.A. Nino, E. Bauer, Ultramicroscopy 111, 1447 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  61. 61.
    S. Khan, K. Holldack, T. Kachel, R. Mitzner, T. Quast, Phys. Rev. Lett. 97, 074801 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  62. 62.
    C. Stamm, T. Kachel, N. Pontius, R. Mitzner, T. Quast, K. Holldack, S. Khan, C. Lupulescu, E.F. Aziz, M. Wietstruk, H.A. Durr, W. Eberhardt, Nat. Mater. 6, 740 (2007) ADSCrossRefGoogle Scholar
  63. 63.
    C. Boeglin, E. Beaurepaire, V. Halte, V. Lopez-Flores, C. Stamm, N. Pontius, H.A. Durr, J.Y. Bigot, Nature 465, 458 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  64. 64.
    T. Pfeifer, C. Spielmann, G. Gerber, Rep. Prog. Phys. 69, 443 (2006) ADSCrossRefGoogle Scholar
  65. 65.
    T. Popmintchev, M.C. Chen, P. Arpin, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, Nat. Photonics 4, 822 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  66. 66.
    M. Pretorius, J. Friedrich, A. Ranck, M. Schroeder, J. Voss, V. Wedemeier, D. Spanke, D. Knabben, I. Rozhko, H. Ohldag, F.U. Hillebrecht, E. Kisker, Phys. Rev. B 55, 14133 (1997) ADSCrossRefGoogle Scholar
  67. 67.
    P. Grychtol, R. Adam, S. Valencia, S. Cramm, D.E. Buergler, C.M. Schneider, Phys. Rev. B 82, 054433 (2010) ADSCrossRefGoogle Scholar
  68. 68.
    P. Grychtol, R. Adam, A.M. Kaiser, S. Cramm, D.E. Buergler, C.M. Schneider, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 184, 287 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  69. 69.
    R. Adam, P. Grychtol, S. Cramm, C.M. Schneider, J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom. 184, 291 (2011) CrossRefGoogle Scholar
  70. 70.
    C. La-O-Vorakiat, M. Siemens, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, S. Mathias, M. Aeschlimann, P. Grychtol, R. Adam, C.M. Schneider, J.M. Shaw, H. Nembach, T.J. Silva, Phys. Rev. Lett. 103, 257402 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar
  71. 71.
    S. Mathias, C. La-O-Vorakiat, P. Grychtol, P. Granitzka, E. Turgut, J.M. Shaw, R. Adam, H.T. Nembach, M.E. Siemens, S. Eich, C.M. Schneider, T.J. Silva, M. Aeschlimann, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, Proc. Natl. Acad. Sci. USA 109, 4792 (2012) ADSCrossRefGoogle Scholar
  72. 72.
    S. Mathias, C. La-O-Vorakiat, P. Grychtol, R. Adam, S. Mark, J.M. Shaw, H. Nembach, M. Aeschlimann, C.M. Schneider, T. Silva, M.M. Murnane, H.C. Kapteyn, OSA Technical Digest (CD) (Optical Society of America, 2010), p. TuE33 Google Scholar
  73. 73.
    B. Koopmans, M. van Kampen, J.T. Kohlhepp, W.J.M. de Jonge, Phys. Rev. Lett. 85, 844 (2000) ADSCrossRefGoogle Scholar
  74. 74.
    C. La-O-Vorakiat, E. Turgut, C.A. Teale, H.C. Kapteyn, M.M. Murnane, S. Mathias, M. Aeschlimann, C.M. Schneider, J.M. Shaw, H.T. Nembach, T.J. Silva, Phys. Rev. X 2(1), 011005 (2012) CrossRefGoogle Scholar
  75. 75.
    F. Hillebrecht, T. Kinoshita, D. Spanke, J. Dresselhaus, C. Roth, H. Rose, E. Kisker, Phys. Rev. Lett. 75, 2224 (1995) ADSCrossRefGoogle Scholar
  76. 76.
    A. Mikkelsen, J. Schwenke, T. Fordell, G. Luo, K. Klunder, E. Hilner, N. Anttu, A.A. Zakharov, E. Lundgren, J. Mauritsson, J.N. Andersen, H.Q. Xu, A. L’Huillier, Rev. Sci. Instrum. 80, 123703 (2009) ADSCrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2013

Authors and Affiliations

  1. 1.Peter Grünberg Institut (PGI-6)Forschungszentrum JülichJülichGermany
  2. 2.Fakultät f. Physik und CENIDEUniversität Duisburg-EssenDuisburgGermany

Personalised recommendations