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Tobias Hula

• Im Rahmen dieser Abschlussarbeit wurden nichtlineare Spinwellen-Prozesse in magnetischen Vortex-Strukturen aus einer Ni81Fe19-Legierung untersucht. Die radialen Randbedingungen und die Rotationssymmetrie eines kreisförmigen Vortex bedingen eine Quantisierung azimutaler und radialer Spinwellen in diesem System. Typische Frequenzen dieser Eigenzustände liegen im Gigahertz-Bereich und können durch Mikrowellenfelder angeregt werden. In dieser Arbeit wurden verschiedene nichtlineare Magnonen-Wechselwirkungen bei hinreichend hohen Pumpleistungen mittels mikrofokussierter Brillouin-Lichtstreuung identifiziert. Auswahlregeln für die Aufspaltung der direkt angeregten, fundamentalen Mode in zwei diskrete Zustände mit niedrigerer Energie wurden anhand der gemessenen BLS-Spektra und räumlichen Modenprofile formuliert. Die zeitliche Entwicklung der Besetzung dieser zusätzlichen Zustände, welche nur durch 3-Magnonen-Streuung erklärbar ist, wurde mithilfe zeitaufgelöster μBLS untersucht. Bei großen Amplituden des externen Anregungsfeldes sättigen die Anstiegszeiten der zusätzlich populierten Zustände. Ein Modell aus gekoppelten Differentialgleichungen basierend auf dem Formalismus der analytischen Theorie wurde vorgestellt, um die experimentellen Daten zu beschreiben. Die Population der linear angeregten Mode und der durch 3-Magnonen-Prozesse angeregten Moden konnten damit hinreichend beschrieben werden. Das Modell und die experimentellen Daten weichen ab dem Einsetzen von Streuprozessen höherer Ordnung voneinander ab. Der Übergang zur 4-Magnonen-Streuung wurde in weiteren Messungen untersucht und zeigt Kaskaden der verschiedenen Streuprozesse auf Zeitskalen einiger Nanosekunden. Im untersuchten Probensystem bedingt die 4-Magnonen-Streuung die zusätzliche Population von Zuständen mit der 1/2- und 3/2-fachen Anregungsfrequenz. Mögliche Ursachen für diese Beobachtungen werden diskutiert, können jedoch aufgrund ihres zeitgleichen Auftretens nicht experimentell bestätigt werden.
• Within the scope of this thesis, nonlinear spin wave phenomena in magnetic vortex structures of Ni81Fe19 are studied. The radial boundary conditions and the rotational symmetry of a circular vortex cause a quantization of azimuthal and radial spin waves in the system. Typical frequencies of these eigen-states are in the gigahertz regime and can be driven by microwave fields. In this thesis, different nonlinear magnon-interactions at sufficiently high pumping powers are identified using micro-focused Brillouin light scattering. Selection rules for the splitting of the directly excited fundamental mode into two discrete modes with lower energy are derived from the measured BLS spectra and spatial mode profiles. The temporal evolution of the population of these additional modes, which can only be caused by three magnon scattering, are studied using time resolved μBLS. For large amplitudes of the external pumping field, the growth rates of nonlinearly excited states saturate. A model of coupled differential equations is introduced based on the formalism of the analytic theory and is used to describe the experimental results. It is demonstrated that the temporal evolution of both the linear modes and the modes populated by three magnon processes are accurately predicted by the model. The model and experimental observations devite only in the regime of higher order scattering processes. The transition to four magnon scattering is investigated in further measurements and shows cascades of different mechanisms in a range of a few nanoseconds. In the system under investigation, four magnon interactions lead to additional population of states with 1/2 and 3/2 of the pumping frequency. Possible mechanisms for these observations are discussed but cannot be confirmed due to their super-position in the experiments.