Using the time-resolved magneto-optical Kerr effect method, helicity-dependent all-optical magnetization switching (HD-AOS) is observed in ferrimagnetic TbFeCo films. Our results reveal the individual roles of the thermal and nonthermal effects after a single circularly polarized laser pulse. The evolution of this ultrafast switching occurs over different time scales, and a defined magnetization reversal time of 460 fs is shown—the fastest ever observed. Micromagnetic simulations based on a single macro-spin model, taking into account both heating and the inverse Faraday effect, are performed which reproduce HD-AOS demonstrating a linear path for magnetization reversal.

1.
C. D.
Stanciu
,
F.
Hansteen
,
A. V.
Kimel
,
A.
Kirilyuk
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
047601
(
2007
).
2.
J. Y.
Chen
,
L.
He
,
J. P.
Wang
, and
M.
Li
,
Phys. Rev. Appl.
7
,
021001
(
2017
).
3.
T. A.
Ostler
,
J.
Barker
,
R. F. L.
Evans
,
R. W.
Chantrell
,
U.
Atxitia
,
O.
Chubykalo-Fesenko
,
S.
El Moussaoui
,
L.
Le Guyader
,
E.
Mengotti
,
L. J.
Heyderman
,
F.
Nolting
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
D.
Afanasiev
,
B. A.
Ivanov
,
A. M.
Kalashnikova
,
K.
Vahaplar
,
J.
Mentink
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Nat. Commun.
3
,
666
(
2012
).
4.
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Rep. Prog. Phys.
76
,
026501
(
2013
).
5.
R.
Chimata
,
L.
Isaeva
,
K.
Kádas
,
A.
Bergman
,
B.
Sanyal
,
J. H.
Mentink
,
M. I.
Katsnelson
,
T.
Rasing
,
A.
Kirilyuk
,
A.
Kimel
,
O.
Eriksson
, and
M.
Pereiro
,
Phys. Rev. B
92
,
094411
(
2015
).
6.
I.
Radu
,
K.
Vahaplar
,
C.
Stamm
,
T.
Kachel
,
N.
Pontius
,
H. A.
Dürr
,
T. A.
Ostler
,
J.
Barker
,
R. F. L.
Evans
,
R. W.
Chantrell
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
, and
A. V.
Kimel
,
Nature (London)
472
,
205
(
2011
).
7.
S.
Wienholdt
,
D.
Hinzke
,
K.
Carva
,
P. M.
Oppeneer
, and
U.
Nowak
,
Phys. Rev. B
88
,
020406
(
2013
).
8.
R. B.
Wilson
,
J.
Gorchon
,
Y.
Yang
,
C.-H.
Lambert
,
S.
Salahuddin
, and
J.
Bokor
,
Phys. Rev. B
95
,
180409
(
2017
).
9.
Y.
Xu
,
M.
Deb
,
G.
Malinowski
,
M.
Hehn
,
W.
Zhao
, and
S.
Mangin
,
Adv. Mater.
29
,
1703474
(
2017
).
10.
U.
Atxitia
,
T. A.
Ostler
,
R. W.
Chantrell
, and
O.
Chubykalo-Fesenko
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
192402
(
2015
).
11.
C.-H.
Lambert
,
S.
Mangin
,
B. S. D. C. S.
Varaprasad
,
Y. K.
Takahashi
,
M.
Hehn
,
M.
Cinchetti
,
G.
Malinowski
,
K.
Hono
,
Y.
Fainman
,
M.
Aeschlimann
, and
E. E.
Fullerton
,
Science
345
,
1337
(
2014
).
12.
R.
John
,
M.
Berritta
,
D.
Hinzke
,
C.
Müller
,
T.
Santos
,
H.
Ulrichs
,
P.
Nieves
,
J.
Walowski
,
R.
Mondal
,
O.
Chubykalo-Fesenko
,
J.
McCord
,
P. M.
Oppeneer
,
U.
Nowak
, and
M.
Münzenberg
,
Sci. Rep.
7
,
4114
(
2017
).
13.
S.
Mangin
,
M.
Gottwald
,
C.-H.
Lambert
,
D.
Steil
,
V.
Uhlíř
,
L.
Pang
,
M.
Hehn
,
S.
Alebrand
,
M.
Cinchetti
,
G.
Malinowski
,
Y.
Fainman
,
M.
Aeschlimann
, and
E. E.
Fullerton
,
Nat. Mater.
13
,
286
(
2014
).
14.
A.
Hassdenteufel
,
B.
Hebler
,
C.
Schubert
,
A.
Liebig
,
M.
Teich
,
M.
Helm
,
M.
Aeschlimann
,
M.
Albrecht
, and
R.
Bratschitsch
,
Adv. Mater.
25
,
3122
(
2013
).
15.
A.
Hassdenteufel
,
J.
Schmidt
,
C.
Schubert
,
B.
Hebler
,
M.
Helm
,
M.
Albrecht
, and
R.
Bratschitsch
,
Phys. Rev. B
91
,
104431
(
2015
).
16.
T. Y.
Cheng
,
J.
Wu
,
M.
Willcox
,
T.
Liu
,
J. W.
Cai
,
R. W.
Chantrell
, and
Y. B.
Xu
,
IEEE Trans. Magn.
48
,
3387
(
2012
).
17.
K.
Vahaplar
,
A. M.
Kalashnikova
,
A. V.
Kimel
,
S.
Gerlach
,
D.
Hinzke
,
U.
Nowak
,
R.
Chantrell
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. B
85
,
104402
(
2012
).
18.
A. R.
Khorsand
,
M.
Savoini
,
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
127205
(
2012
).
19.
J.
Gorchon
,
Y.
Yang
, and
J.
Bokor
,
Phys. Rev. B
94
,
020409
(
2016
).
20.
T. D.
Cornelissen
,
R.
Córdoba
, and
B.
Koopmans
,
Appl. Phys. Lett.
108
,
142405
(
2016
).
21.
C. D.
Stanciu
,
F.
Hansteen
,
A. V.
Kimel
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
98
,
207401
(
2007
).
22.
A. V.
Kimel
,
A.
Kirilyuk
,
P. A.
Usachev
,
R. V.
Pisarev
,
A. M.
Balbashov
, and
T.
Rasing
,
Nature (London)
435
,
655
(
2005
).
23.
V. N.
Gridnev
,
Phys. Rev. B
77
,
094426
(
2008
).
24.
D.
Popova
,
A.
Bringer
, and
S.
Blügel
,
Phys. Rev. B
85
,
094419
(
2012
).
25.
J. H.
Mentink
,
J.
Hellsvik
,
D. V.
Afanasiev
,
B. A.
Ivanov
,
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
,
O.
Eriksson
,
M. I.
Katsnelson
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
057202
(
2012
).
26.
A.
Baral
and
H. C.
Schneider
,
Phys. Rev. B
91
,
100402
(
2015
).
27.
V. N.
Gridnev
,
Phys. Rev. B
88
,
014405
(
2013
).
28.
M. S.
El Hadri
,
M.
Hehn
,
P.
Pirro
,
C.-H.
Lambert
,
G.
Malinowski
,
E. E.
Fullerton
, and
S.
Mangin
,
Phys. Rev. B
94
,
064419
(
2016
).
29.
M. S.
El Hadri
,
P.
Pirro
,
C.-H.
Lambert
,
S.
Petit-Watelot
,
Y.
Quessab
,
M.
Hehn
,
F.
Montaigne
,
G.
Malinowski
, and
S.
Mangin
,
Phys. Rev. B
94
,
064412
(
2016
).
30.
R.
Moreno
,
T. A.
Ostler
,
R. W.
Chantrell
, and
O.
Chubykalo-Fesenko
,
Phys. Rev. B
96
,
014409
(
2017
).
31.
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Rev. Mod. Phys.
82
,
2731
(
2010
);
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
, and
T.
Rasing
,
Rev. Mod. Phys.
88
,
039904
(
2016
).
32.
E.
Beaurepaire
,
J.-C.
Merle
,
A.
Daunois
, and
J.-Y.
Bigot
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4250
(
1996
).
33.
B.
Liu
,
X.
Ruan
,
Z.
Wu
,
H.
Tu
,
J.
Du
,
J.
Wu
,
X.
Lu
,
L.
He
,
R.
Zhang
, and
Y.
Xu
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
042401
(
2016
).
34.
S.
Alebrand
,
M.
Gottwald
,
M.
Hehn
,
D.
Steil
,
M.
Cinchetti
,
D.
Lacour
,
E. E.
Fullerton
,
M.
Aeschlimann
, and
S.
Mangin
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
162408
(
2012
).
35.
A.
Hassdenteufel
,
C.
Schubert
,
J.
Schmidt
,
P.
Richter
,
D. R. T.
Zahn
,
G.
Salvan
,
M.
Helm
,
R.
Bratschitsch
, and
M.
Albrecht
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
112403
(
2014
).
36.
M.
Wietstruk
,
A.
Melnikov
,
C.
Stamm
,
T.
Kachel
,
N.
Pontius
,
M.
Sultan
,
C.
Gahl
,
M.
Weinelt
,
H. A.
Dürr
, and
U.
Bovensiepen
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
127401
(
2011
).
37.
A. R.
Khorsand
,
M.
Savoini
,
A.
Kirilyuk
,
A. V.
Kimel
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
107205
(
2013
).
38.
C.
Bunce
,
J.
Wu
,
G.
Ju
,
B.
Lu
,
D.
Hinzke
,
N.
Kazantseva
,
U.
Nowak
, and
R. W.
Chantrell
,
Phys. Rev. B
81
,
174428
(
2010
).
39.
F.
Dalla Longa
,
J. T.
Kohlhepp
,
W. J. M.
De Jonge
, and
B.
Koopmans
,
Phys. Rev. B
75
,
224431
(
2007
).
40.
M.
Battiato
,
G.
Barbalinardo
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. B
89
,
014413
(
2014
).
41.
K.
Vahaplar
,
A. M.
Kalashnikova
,
A.
Kimel
,
D.
Hinzke
,
U.
Nowak
,
R.
Chantrell
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
, and
T.
Rasing
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
117201
(
2009
).
42.
D. A.
Garanin
and
O.
Chubykalo-Fesenko
,
Phys. Rev. B
70
,
212409
(
2004
).
43.
U.
Atxitia
,
O.
Chubykalo-Fesenko
,
N.
Kazantseva
,
D.
Hinzke
,
U.
Nowak
, and
R. W.
Chantrell
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
232507
(
2007
).
44.
N.
Kazantseva
,
D.
Hinzke
,
U.
Nowak
,
R. W.
Chantrell
,
U.
Atxitia
, and
O.
Chubykalo-Fesenko
,
Phys. Rev. B
77
,
184428
(
2008
).
45.
T. A.
Ostler
,
M. O. A.
Ellis
,
D.
Hinzke
, and
U.
Nowak
,
Phys. Rev. B
90
,
094402
(
2014
).
46.
U.
Atxitia
,
D.
Hinzke
, and
U.
Nowak
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
50
,
033003
(
2017
).
47.
N.
Kazantseva
,
D.
Hinzke
,
R. W.
Chantrell
, and
U.
Nowak
,
EPL
86
,
27006
(
2009
).
48.
L.
Le Guyader
,
M.
Savoini
,
S.
El Moussaoui
,
M.
Buzzi
,
A.
Tsukamoto
,
A.
Itoh
,
A.
Kirilyuk
,
T.
Rasing
,
A. V.
Kimel
, and
F.
Nolting
,
Nat. Commun.
6
,
5839
(
2015
).
49.
T.
Ogasawara
,
N.
Iwata
,
Y.
Murakami
,
H.
Okamoto
, and
Y.
Tokura
,
Appl. Phys. Lett.
94
,
162507
(
2009
).
50.
G. P.
Zhang
,
Z.
Babyak
,
Y.
Xue
,
Y. H.
Bai
, and
T. F.
George
,
Phys. Rev. B
96
,
134407
(
2017
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.