The coupling of electrons to spin excitations and the generation of magnons is essential for spin mixing in the ultrafast magnetization dynamics of 3d ferromagnets. Although magnon energies are generally much larger than phonon energies, until now their electronic band renormalization effect in 3d ferromagnets suggests a significantly weaker quasiparticle interaction. Using spin- and angle-resolved photoemission, we show an extraordinarily strong renormalization leading to two-branch splitting of an iron surface resonance at ∼200 meV. Its strong magnetic linear dichroism unveils the magnetic nature and momentum dependence of the energy renormalization. By determining the frequency- and momentum-dependent self-energy due to generic electron–boson interaction to compute the resultant electron spectral function, we suggest that the surface-state splitting can be described by strong coupling to an optical spin wave in an iron thin film.

1.
T.
Balashov
,
A. F.
Takács
,
M.
Däne
,
A.
Ernst
,
P.
Bruno
, and
W.
Wulfhekel
,
Phys. Rev. B
78
,
174404
(
2008
).
2.
M.
Haag
,
C.
Illg
, and
M.
Fähnle
,
Phys. Rev. B
90
,
014417
(
2014
).
3.
E.
Carpene
,
H.
Hedayat
,
F.
Boschini
, and
C.
Dallera
,
Phys. Rev. B
91
,
174414
(
2015
).
4.
E.
Turgut
,
D.
Zusin
,
D.
Legut
,
K.
Carva
,
R.
Knut
,
J. M.
Shaw
,
C.
Chen
,
Z.
Tao
,
H. T.
Nembach
,
T. J.
Silva
,
S.
Mathias
,
M.
Aeschlimann
,
P. M.
Oppeneer
,
H. C.
Kapteyn
,
M. M.
Murnane
, and
P.
Grychtol
,
Phys. Rev. B
94
,
220408
(
2016
).
5.
S.
Eich
,
M.
Plötzing
,
M.
Rollinger
,
S.
Emmerich
,
R.
Adam
,
C.
Chen
,
H. C.
Kapteyn
,
M. M.
Murnane
,
L.
Plucinski
,
D.
Steil
,
B.
Stadtmüller
,
M.
Cinchetti
,
M.
Aeschlimann
,
C. M.
Schneider
, and
S.
Mathias
,
Sci. Adv.
3
,
e1602094
(
2017
).
6.
P.
Tengdin
,
W.
You
,
C.
Chen
,
X.
Shi
,
D.
Zusin
,
Y.
Zhang
,
C.
Gentry
,
A.
Blonsky
,
M.
Keller
,
P. M.
Oppeneer
,
H. C.
Kapteyn
,
Z.
Tao
, and
M. M.
Murnane
,
Sci. Adv.
4
,
eaap9744
(
2018
).
7.
R.
Gort
,
K.
Bühlmann
,
S.
Däster
,
G.
Salvatella
,
N.
Hartmann
,
Y.
Zemp
,
S.
Holenstein
,
C.
Stieger
,
A.
Fognini
,
T. U.
Michlmayr
,
T.
Bähler
,
A.
Vaterlaus
, and
Y.
Acremann
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
087206
(
2018
).
8.
J.
Schäfer
,
D.
Schrupp
,
E.
Rotenberg
,
K.
Rossnagel
,
H.
Koh
,
P.
Blaha
, and
R.
Claessen
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
097205
(
2004
).
9.
X. Y.
Cui
,
K.
Shimada
,
M.
Hoesch
,
Y.
Sakisaka
,
H.
Kato
,
Y.
Aiura
,
M.
Higashiguchi
,
Y.
Miura
,
H.
Namatame
, and
M.
Taniguchi
,
Surf. Sci.
601
,
4010
(
2007
).
10.
X. Y.
Cui
,
K.
Shimada
,
Y.
Sakisaka
,
H.
Kato
,
M.
Hoesch
,
T.
Oguchi
,
Y.
Aiura
,
H.
Namatame
, and
M.
Taniguchi
,
Phys. Rev. B
82
,
195132
(
2010
).
11.
E.
Mlyńczak
,
M. C. T. D.
Müller
,
P.
Gospodaric
,
T.
Heider
,
I.
Aguilera
,
G.
Bihlmayer
,
M.
Gehlmann
,
M.
Jugovac
,
G.
Zamborlini
,
C.
Tusche
,
S.
Suga
,
V.
Feyer
,
L.
Plucinski
,
C.
Friedrich
,
S.
Blügel
, and
C. M.
Schneider
,
Nat. Commun.
10
,
505
(
2019
).
12.
B.
Liu
,
H.
Xiao
,
G.
Siemann
,
J.
Weber
,
B.
Andres
,
W.
Bronsch
,
P. M.
Oppeneer
, and
M.
Weinelt
,
Phys. Rev. B
104
,
024434
(
2021
).
13.
Angle-Resolved Photoemission
, edited by
S. D.
Kevan
(
Elsevier
,
Amsterdam
,
1992
).
14.
E.
Rotenberg
,
J.
Schäfer
, and
S. D.
Kevan
,
Phys. Rev. Lett.
84
,
2925
(
2000
).
15.
A.
Lanzara
,
P. V.
Bogdanov
,
X. J.
Zhou
,
S. A.
Kellar
,
D. L.
Feng
,
E. D.
Lu
,
T.
Yoshida
,
H.
Eisaki
,
A.
Fujimori
,
K.
Kishio
,
J.-I.
Shimoyama
,
T.
Noda
,
S.
Uchida
,
Z.
Hussain
, and
Z.-X.
Shen
,
Nature
412
,
510
(
2001
).
16.
P.
Hofmann
,
E. V.
Chulkov
, and
I. Y.
Sklyadneva
, “
Electron-phonon interaction at interfaces
,” in
Dynamics at Solid State Surfaces and Interfaces: Volume 1: Current Developments
(
Wiley-VCH Verlag
,
2010
), pp.
145
165
.
17.
K.
Byczuk
,
M.
Kollar
,
K.
Held
,
Y.-F.
Yang
,
I. A.
Nekrasov
,
T.
Pruschke
, and
D.
Vollhardt
,
Nat. Phys.
3
,
168
(
2007
).
18.
J.
Sánchez-Barriga
,
J.
Fink
,
V.
Boni
,
I. D.
Marco
,
J.
Braun
,
J.
Minár
,
A.
Varykhalov
,
O.
Rader
,
V.
Bellini
,
F.
Manghi
,
H.
Ebert
,
M. I.
Katsnelson
,
A. I.
Lichtenstein
,
O.
Eriksson
,
W.
Eberhardt
, and
H. A.
Dürr
,
Phys. Rev. Lett.
103
,
267203
(
2009
).
19.
J.
Schäfer
,
M.
Hoinkis
,
E.
Rotenberg
,
P.
Blaha
, and
R.
Claessen
,
Phys. Rev. B
72
,
155115
(
2005
).
20.
G. G.
Lonzarich
,
J. Magn. Magn. Mater.
45
,
43
(
1984
).
21.
A.
Bostwick
,
T.
Ohta
,
T.
Seyller
,
K.
Horn
, and
E.
Rotenberg
,
Nat. Phys.
3
,
36
(
2007
).
22.
M.
Hengsberger
,
D.
Purdie
,
P.
Segovia
,
M.
Garnier
, and
Y.
Baer
,
Phys. Rev. Lett.
83
,
592
(
1999
).
23.
S.
LaShell
,
E.
Jensen
, and
T.
Balasubramanian
,
Phys. Rev. B
61
,
2371
(
2000
).
24.
S.
Moser
,
L.
Moreschini
,
J.
Jaćimović
,
O. S.
Barišić
,
H.
Berger
,
A.
Magrez
,
Y. J.
Chang
,
K. S.
Kim
,
A.
Bostwick
,
E.
Rotenberg
,
L.
Forró
, and
M.
Grioni
,
Phys. Rev. Lett.
110
,
196403
(
2013
).
25.
J. J.
Lee
,
F. T.
Schmitt
,
R. G.
Moore
,
S.
Johnston
,
Y.-T.
Cui
,
W.
Li
,
M.
Yi
,
Z. K.
Liu
,
M.
Hashimoto
,
Y.
Zhang
,
D. H.
Lu
,
T. P.
Devereaux
,
D.-H.
Lee
, and
Z.-X.
Shen
,
Nature
515
,
245
(
2014
).
26.
S. N.
Rebec
,
T.
Jia
,
C.
Zhang
,
M.
Hashimoto
,
D.-H.
Lu
,
R. G.
Moore
, and
Z.-X.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
118
,
067002
(
2017
).
27.
S.
Choi
,
S.
Johnston
,
W.-J.
Jang
,
K.
Koepernik
,
K.
Nakatsukasa
,
J. M.
Ok
,
H.-J.
Lee
,
H. W.
Choi
,
A. T.
Lee
,
A.
Akbari
,
Y. K.
Semertzidis
,
Y.
Bang
,
J. S.
Kim
, and
J.
Lee
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
107003
(
2017
).
28.
A.
Damascelli
,
Z.
Hussain
, and
Z.-X.
Shen
,
Rev. Mod. Phys.
75
,
473
(
2003
).
29.
E. V.
Chulkov
,
K.
Ishioka
,
S. W.
Koch
,
J. M.
Pitarke
,
J.
Schäfer
, and
M.
Weinelt
, “
Quasiparticles and collective excitations
,” in
Dynamics at Solid State Surfaces and Interfaces: Volume 2-Fundamentals
(
Wiley-VCH Verlag
,
2010
), pp.
27
106
.
30.
J. A.
Sobota
,
Y.
He
, and
Z.-X.
Shen
,
Rev. Mod. Phys.
93
,
025006
(
2021
).
31.
U.
Gradmann
and
G.
Waller
,
Surf. Sci.
116
,
539
(
1982
).
32.
U.
Gradmann
,
J.
Korecki
, and
G.
Waller
,
Appl. Phys. A
39
,
101
(
1986
).
33.
M.
Stampanoni
,
A.
Vaterlaus
,
M.
Aeschlimann
, and
F.
Meier
,
Phys. Rev. Lett.
59
,
2483
(
1987
).
34.
S.
Miesch
,
A.
Fognini
,
Y.
Acremann
,
A.
Vaterlaus
, and
T. U.
Michlmayr
,
J. Appl. Phys.
109
,
013905
(
2011
).
35.
A.
Winkelmann
,
D.
Hartung
,
H.
Engelhard
,
C.-T.
Chiang
, and
J.
Kirschner
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
083303
(
2008
).
36.
M.
Weinelt
,
A. B.
Schmidt
,
M.
Pickel
, and
M.
Donath
,
Prog. Surf. Sci.
82
,
388
(
2007
).
37.
B.
Andres
,
M.
Christ
,
C.
Gahl
,
M.
Wietstruk
,
M.
Weinelt
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
115
,
207404
(
2015
).
38.
J.
Hermanson
,
Solid State Commun.
22
,
9
(
1977
).
39.
J.
Braun
,
C.
Math
,
A.
Postnikov
, and
M.
Donath
,
Phys. Rev. B
65
,
184412
(
2002
).
40.
T.
Allmers
,
M.
Donath
,
J.
Braun
,
J.
Minár
, and
H.
Ebert
,
Phys. Rev. B
84
,
245426
(
2011
).
41.
D. P.
Pappas
,
K.-P.
Kämper
,
B. P.
Miller
,
H.
Hopster
,
D. E.
Fowler
,
C. R.
Brundle
,
A. C.
Luntz
, and
Z.-X.
Shen
,
Phys. Rev. Lett.
66
,
504
(
1991
).
42.
J.
Sánchez-Barriga
,
J.
Braun
,
J.
Minár
,
I. D.
Marco
,
A.
Varykhalov
,
O.
Rader
,
V.
Boni
,
V.
Bellini
,
F.
Manghi
,
H.
Ebert
,
M. I.
Katsnelson
,
A. I.
Lichtenstein
,
O.
Eriksson
,
W.
Eberhardt
,
H. A.
Dürr
, and
J.
Fink
,
Phys. Rev. B
85
,
205109
(
2012
).
43.
A.
Rampe
,
G.
Güntherodt
,
D.
Hartmann
,
J.
Henk
,
T.
Scheunemann
, and
R.
Feder
,
Phys. Rev. B
57
,
14370
(
1998
).
44.
M.
Pickel
,
A. B.
Schmidt
,
F.
Giesen
,
J.
Braun
,
J.
Minár
,
H.
Ebert
,
M.
Donath
, and
M.
Weinelt
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
066402
(
2008
).
45.
K.
Zakeri
,
Y.
Zhang
,
J.
Prokop
,
T.-H.
Chuang
,
N.
Sakr
,
W. X.
Tang
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
137203
(
2010
).
47.
K.
Zakeri
,
Y.
Zhang
,
T. H.
Chuang
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
197205
(
2012
).
48.
F.
Marsiglio
,
M.
Schossmann
, and
J. P.
Carbotte
,
Phys. Rev. B
37
,
4965
(
1988
).
49.
F.
Marsiglio
,
Phys. Rev. B
42
,
2416
(
1990
).
50.
Y.
Zhang
, “
High wave vector spin waves in ultrathin Fe films on W(110) studied by spin-polarized electron energy loss spectroscopy
,” Ph.D. thesis (
Martin-Luther University
, Halle-Wittenberg,
2009
).
51.
K.
Zakeri
,
Y.
Zhang
, and
J.
Kirschner
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
189
,
157
(
2013
).
52.
Y.-J.
Chen
,
K.
Zakeri
,
A.
Ernst
,
H. J.
Qin
,
Y.
Meng
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
119
,
267201
(
2017
).
53.
K.
Carva
,
M.
Battiato
,
D.
Legut
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. B
87
,
184425
(
2013
).
54.
A.
Aperis
and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. B
97
,
060501
(
2018
).
55.
F.
Schrodi
,
A.
Aperis
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. B
98
,
094509
(
2018
).
56.
A. T.
Costa
,
R. B.
Muniz
, and
D. L.
Mills
,
Phys. Rev. B
68
,
224435
(
2003
).
57.
Y.
Zhang
,
T.-H.
Chuang
,
K.
Zakeri
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
087203
(
2012
).
58.
E.
Beaurepaire
,
J.-C.
Merle
,
A.
Daunois
, and
J.-Y.
Bigot
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4250
(
1996
).
59.
T.-H.
Chuang
,
K.
Zakeri
,
A.
Ernst
,
L. M.
Sandratskii
,
P.
Buczek
,
Y.
Zhang
,
H. J.
Qin
,
W.
Adeagbo
,
W.
Hergert
, and
J.
Kirschner
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
207201
(
2012
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.