Uncovering the physical mechanisms that govern ultrafast charge and spin dynamics is crucial for understanding correlated matter as well as the fundamental limits of ultrafast spin-based electronics. Spin dynamics in magnetic materials can be driven by ultrashort light pulses, resulting in a transient drop in magnetization within a few hundred femtoseconds. However, a full understanding of femtosecond spin dynamics remains elusive. Here we spatially separate the spin dynamics using Ni/Ru/Fe magnetic trilayers, where the Ni and Fe layers can be ferro- or antiferromagnetically coupled. By exciting the layers with a laser pulse and probing the magnetization response simultaneously but separately in Ni and Fe, we surprisingly find that optically induced demagnetization of the Ni layer transiently enhances the magnetization of the Fe layer when the two layer magnetizations are initially aligned parallel. Our observations are explained by a laser-generated superdiffusive spin current between the layers. Spin dynamics in magnetic materials can be driven by ultrafast light pulses, resulting in transient magnetization changes on femtosecond timescales. Rudolphet al. find that in magnetic trilayers the magnetization of one layer can be enhanced by superdiffusive spin currents from adjacent layers.

The study of ultrafast dynamics in magnetic materials provides rich opportunities for greater fundamental understanding of correlated phenomena in solid-state matter, because many of the basic microscopic mechanisms involved are as-yet unclear and are still being uncovered. Recently, two different possible mechanisms have been proposed to explain ultrafast laser induced magnetization dynamics: spin currents and spin-flip scattering. In this work, we use multilayers of Fe and Ni with different metals and insulators as the spacer material to conclusively show that spin currents can have a significant contribution to optically induced magnetization dynamics, in addition to spin-flip scattering processes. Moreover, we can control the competition between these two processes, and in some cases completely suppress interlayer spin currents as a sample undergoes rapid demagnetization. Finally, by reversing the order of the Fe/Ni layers, we experimentally show that spin currents are directional in our samples, predominantly flowing from the top to the bottom layer.

The underlying physics of all ferromagnetic behavior is the cooperative interaction between individual atomic magnetic moments that results in a macroscopic magnetization. In this work, we use extreme ultraviolet pulses from high-harmonic generation as an element-specific probe of ultrafast, optically driven, demagnetization in a ferromagnetic Fe-Ni alloy (permalloy). We show that for times shorter than the characteristic timescale for exchange coupling, the magnetization of Fe quenches more strongly than that of Ni. Then as the Fe moments start to randomize, the strong ferromagnetic exchange interaction induces further demagnetization in Ni, with a characteristic delay determined by the strength of the exchange interaction. We can further enhance this delay by lowering the exchange energy by diluting the permalloy with Cu. This measurement probes how the fundamental quantum mechanical exchange coupling between Fe and Ni in magnetic materials influences magnetic switching dynamics in ferromagnetic materials relevant to next-generation data storage technologies.

Abstract The mechanism of THz generation in ferromagnet/metal (F/M) bilayers has been typically ascribed to the inverse spin Hall effect (ISHE). Here, we fabricated Pt/Fe/Cr/Fe/Pt multilayers containing two back-to-back spintronic THz emitters separated by a thin ( t Cr ≤ 3nm) wedge-shaped Cr spacer. In such an arrangement, magnetization alignment of the two Fe films can be controlled by the interplay between Cr-mediated interlayer exchange coupling (IEC) and an external magnetic field. This in turn results in a strong variation of the THz amplitude A , with A ↑ ↓ reaching up to 14 times A ↑ ↑ (arrows indicate the relative alignment of the magnetization of the two magnetic layers). This observed functionality is ascribed to the interference of THz transients generated by two closely spaced THz emitters. Moreover, the magnetic field dependence A ( H ) shows a strong asymmetry that points to an additional performance modulation of the THz emitter via IEC and multilayer design.