bakalářská práce

Ultrafast laser-induced control of magnetic materials

Text práce 1.79 MB

Autor práce: Ing. Jakub Opršal

Ak. rok: 2021/2022

Vedoucí: M.Sc. Jon Ander Arregi Uribeetxebarria, Ph.D.

Oponent: Ing. Ondřej Wojewoda, Ph.D.

Abstrakt:

Magnetické materiály jsou ve velkém používány pro ukládání dat, která jsou zapisována ve formě bitů pomocí externího magnetického pole. Dlouho se věřilo, že doba potřebná pro změnu magnetizace je v řádu desítek až stovek pikosekund. Revoluční experiment v roce 1996 položil základ pro nový obor ultrarychlého ovládání magnetických materiálů, řádově zkracující čas potřebný pro změnu magnetizace. Mimo jiné ukázal, že magnetizace materiálu může být ovlivněna i světelnými pulzy. V této práci jsme replikovali fundamentální, laserem indukované experimenty ve ferromagnetických a ferrimagnetických materiálech. Postavili jsme optickou sestavu schopnou provádět tyto experimenty pro různé polarizace světla. Tato variabilita umožňuje rozlišit různé mechanismy a jevy, které se vyskytují při ultrarychlém ovládání magnetizace magnetických materiálů.

Klíčová slova:

Ultrarychlý magnetismus, přepínání magnetizace laserovými pulzy, femtosekundový pulzní laser, závislost na kruhové polarizaci, nezávislost na kruhové polarizaci, polarizace světla, magneto-optický Kerrův jev, magnetické multivrstvy

Termín obhajoby

15.06.2022

Výsledek obhajoby

obhájeno (práce byla úspěšně obhájena)

znamkaAznamka

Klasifikace

A

Průběh obhajoby

Po otázkách oponenta bylo diskutováno Měření magnetického dichroismu. Student na otázku odpověděl.

Jazyk práce

angličtina

Fakulta

Ústav

Studijní program

Fyzikální inženýrství a nanotechnologie (B-FIN-P)

Složení komise

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (místopředseda)
doc. Ing. Stanislav Průša, Ph.D. (člen)
doc. Mgr. Vlastimil Křápek, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Miroslav Bartošík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (člen)
prof. Ing. Miroslav Kolíbal, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
doc. Ing. Radek Kalousek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

The bachelor thesis by Jakub Opršal deals with the investigation of ultrafast laser-induced magnetization control in magnetic materials. The state of the art in ultrafast magnetism is correctly summarized, with its physical principles presented to an adequate level. This introduction is followed by a brief theoretical overview of magnetic interactions and magneto-optical effects.

The principal aim of the thesis was to develop an optical setup for ultrashort laser pulse illumination of magnetic specimens under different light polarization conditions. The setup building efforts were shared together with his colleague Alexander Velič, while Mr. Opršal had a leading role in the task. The setup had to be built twice due to the laser safety system installation occurring in between (the first time, with assistance from the supervisor; the second time, with little or practically no assistance). The student showed a satisfactory progress in handling different aspects of the setup optimization. Furthermore, Mr. Opršal characterized the magnetic properties of a series of multilayer samples, identifying those that could be suitable for the laser illumination experiments.

Finally, the all-optical magnetization switching phenomenon was demonstrated by sweeping the pulsed laser on both ferromagnetic Co/Pt and ferrimagnetic Co/Gd specimens, and subsequently observing the modified magnetic domain patterns under the magneto-optical microscope. I believe this constitutes a remarkable result for a bachelor thesis.

The experimental efforts are correctly summarized in the thesis. As a side comment, the description sometimes lacks a slightly more developed discussion in comparison to the literature. The student was able to reflect by himself on these comparisons and to assess detailed aspects (such as the cumulative role of the light pulses), posing new interesting questions. However, such interesting aspects were omitted in the thesis, partially due to lack of time, partially due to the complexity of the topic.

While there are some minor weaknesses in the manuscript and in the level of depth offered in the discussion of the results, I believe that all the thesis goals have been accomplished by far and I would like to give the highest mark “A”.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosažené výsledky a vyvozovat z nich závěry B
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti A
Grafická, stylistická úprava a pravopis B
Práce s literaturou včetně citací B
Samostatnost studenta při zpracování tématu B

Známka navržená vedoucím: A

The bachelor thesis of Jakub Opršal deals with ultrafast control of magnetic states. In the first chapter, the author performed comprehensive literature research on magnetism, emphasizing micromagnetic energies. The second chapter is aimed at Jones's formalism and magneto-optics effects. The following chapter describes the own-built setup for controlling the state of magnetization. Even though the chapter is relatively brief, the work done to achieve a functional setup is vast. The author has to work with laser class 4 (the highest class), which is extremely hard alone. In the last two chapters, the author performed experiments that proved the built setup's feasibility.
However, there are some language errors in the thesis (missing verb in the sentence, missing articles, wrong words, …), which lower the overall quality of the work. Furthermore, the author does not reference the figures in the main text, making the text difficult to understand. Also, at some points, the author makes statements but does not provide relevant references or satisfying reasoning to support them.
Nevertheless, the thesis accomplished all stated goals and will significantly contribute to the magneto-optical research in the CEITEC laboratories. Thus, I recommend the work for defense with an overall grade of B.
Kritérium hodnocení Známka
Splnění požadavků a cílů zadání A
Postup a rozsah řešení, adekvátnost použitých metod A
Vlastní přínos a originalita A
Schopnost interpretovat dosaž. výsledky a vyvozovat z nich závěry C
Využitelnost výsledků v praxi nebo teorii A
Logické uspořádání práce a formální náležitosti C
Grafická, stylistická úprava a pravopis C
Práce s literaturou včetně citací B
Otázky k obhajobě:
  1. The name of the thesis suggests ultrafast switching of the magnetization, but from the work presented in the thesis, it is not clear if it was achieved. Can the author discuss how to prove that the switch is “ultrafast”? What changes would be necessary to make in the built setup?
  2. The imaging of the induced change in magnetic state is done ex-situ in a MOKE microscope. Can the author discuss the built setup modification to make the in-situ measurement possible?
  3. In Figure 4.4, there are three hysteresis loops with different shapes. The reason why they have different characteristics is briefly discussed in the text, but can the author introduce some model which can describe these behaviors?

Známka navržená oponentem: B

Odpovědnost: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová