Jörg Patrick Dewitz

Nichtlineare Magneto-Optik an Fe Monolagen

Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades doctor rerum naturalium (Dr. rer. nat.) vorgelegt an der Mathematisch-Naturwissenschaftlich-Technischen Fakultät der Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg
verteidigt am 03.02.1999

Abstract
Ziel dieser Arbeit war die Entwicklung einer Methode zur Berechnung des nichtlinearen magneto-optischen Kerr-Effekt (NOLIMOKE) in zweiter Harmonischer an magnetischen Filmen. Im Gegensatz zu bisherigen Arbeiten wurde dies vollständig auf der Basis einer ab initio Theorie verwirklicht. Dadurch wird es möglich, die optischen Phänomene direkt in Relation zu den Materialeigenschaften zu setzen, was anhand von Fe Monolagen gezeigt wird.
Ausgehend von der Theorie zur nichtlinearen Magneto-Optik von Hübner und Bennemann (Phys. Rev. B, Vol. 40, p. 5973 (1989)) werden die nichtlinearen Suszeptibilitäten von Fe Monolagen mit Hilfe der auf der Dichtefunktionaltheorie beruhenden ab initio FLAPW (full potential linearized augmented plane wave) Methode WIEN95 berechnet. Dazu wurde das verwendete Programm um die Spin-Bahn Kopplung und die Berechnung der optischen Dipol-Übergangsmatrixelemente aus den Wellenfunktionen erweitert. Zusätzlich mußte eine Näherung gemacht werden, die die Darstellung der Filme im Rahmen des auf 3-dimensionaler Translationsinvarianz beruhenden Programms ermöglicht.
Die spektrale Abhängigkeit der Tensorelemente der nichtlinearen Suszeptibilität für freistehende Monolagen und Doppellagen wird gezeigt und der Zusammenhang mit den daraus resultierenden Intensitäten und Kerr-Winkeln diskutiert. Insbesondere wird die Tatsache, daß die nichtlinearen Kerr-Winkel i.a. sehr viel größer als die linearen Kerr-Winkel sind, ein Zeichen für die größere Empfindlichkeit der nichtlinearen Optik auf Magnetismus im Dünnfilm-Bereich, gezeigt und analysiert. Darüberhinaus tritt ein großer Effekt aufgrund der Hybridisierung von Film und Substrat auf. Zusätzlich wird der Einfluß der Spin-Bahn Kopplung und der Magnetisierung(srichtung), sowie die Symmetrieeigenschaften der Suszeptibilitäten, die von zentraler Bedeutung für die Behandlung der nichtlinearen Magneto-Optik sind und hier im Rahmen der numerischen Genauigkeit exakt behandelt werden, wird betrachtet.

The goal of this work was to develop a method for the calculation of the nonlinear magneto-optical Kerr-effect in second harmonic generation (NOLIMOKE) of magnetic thin films. In opposite to previous works this was done completely on an ab initio basis. Thus it is possible to relate the optical phenomena directly to the material properties, which is shown here for Fe monolayers.
Starting from the theory of nonlinear magneto optics by Hübner and Bennemann (Phys. Rev. B, Vol. 40, p. 5973 (1989)) the nonlinear susceptibilities of Fe monolayers are calculated using the ab initio FLAPW (full potential linearized augmented plane wave) method WIEN95 based on density functional theory. To realize this, the WIEN95 code was extended by spin-orbit coupling and the calculation of the dipole transition matrix elements using the wavefunctions. In addition an approximation is made to represent the film systems in the context of three dimensional translation invariance.
The spectral dependence of the tensor elements of the nonlinear susceptibility of freestanding monolayers and doublelayers and their relation to the resulting intensities and Kerr angles is shown. In particular the fact, that the nonlinear Kerr angles are much larger than the linear ones, a consequence of the much strongersensitivity on magnetism of nonlinear optics in the thin film regime, is shown and analyzed. Furthermore a striking effect due to the hybridization of substrate and film is observed. The influence of spin-orbit coupling and magnetization(direction) as well as the symmetry properties of the susceptibilities, which are of major importance for the interpretation of NOLIMOKE and which are treated exact here within the numerical limits, are discussed.

Keywords:
nichtlineare Magneto-Optik, Dichtefunktionaltheorie, ab initio Methode, magnetische Filme, Fe, Kerr Winkel, Substrateinfluß, azimuthale Abhängigkeit, Spin-Bahn Kopplung, Intensitäten

nonlinear magneto optics, density functional theory, ab initio method, magnetic films, Fe, Kerr angle, influence of substrate, azimuthal dependence, spin-orbit coupling, intensities

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Inhaltsverzeichnis
Inhaltsverzeichnis (1-2)
1 Einleitung (3-9)
2 Theorie I: Mikroskopische Formulierung (10-31)
3 Theorie II: Makroskopische Formulierung (32-39)
4 Ergebnisse I: Freistehende Monolagen (40-57)
5 Ergebnisse II: Doppellagen (58-81)
6 Zusammenfassung und Ausblick (82-85)
Anhang (86-94)
Literaturverzeichnis (95-101)