The fundamental mechanism responsible for optically induced magnetization dynamics in ferromagnetic thin films has been under intense debate since almost two decades. Currently, numerous competing theoretical models are in strong need for a decisive experimental confirmation such as monitoring the triggered changes in the spin-dependent band structure on ultrashort time scales. Our approach explores the possibility of observing femtosecond band structure dynamics by giving access to extended parts of the Brillouin zone in a simultaneously time-, energy- and spin-resolved photoemission experiment. For this purpose, our setup uses a state-of-the-art, highly efficient spin detector and ultrashort, extreme ultraviolet light pulses created by laser-based high-order harmonic generation. In this paper, we present the setup and first spin-resolved spectra obtained with our experiment within an acquisition time short enough to allow pump-probe studies. Further, we characterize the influence of the excitation with femtosecond extreme ultraviolet pulses by comparing the results with data acquired using a continuous wave light source with similar photon energy. In addition, changes in the spectra induced by vacuum space-charge effects due to both the extreme ultraviolet probe- and near-infrared pump-pulses are studied by analyzing the resulting spectral distortions. The combination of energy resolution and electron count rate achieved in our setup confirms its suitability for spin-resolved studies of the band structure on ultrashort time scales.

1.
E.
Beaurepaire
,
J.-C.
Merle
,
A.
Daunois
, and
J.-Y.
Bigot
,
Phys. Rev. Lett.
76
,
4250
(
1996
).
2.
B.
Koopmans
,
G.
Malinowski
,
F.
Dalla Longa
,
D.
Steiauf
,
M.
Fähnle
,
T.
Roth
,
M.
Cinchetti
, and
M.
Aeschlimann
,
Nat. Mater.
9
,
259
(
2010
).
3.
M.
Battiato
,
K.
Carva
, and
P. M.
Oppeneer
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
027203
(
2010
).
4.
J.
Hohlfeld
,
E.
Matthias
,
R.
Knorren
, and
K. H.
Bennemann
,
Phys. Rev. Lett.
78
,
4861
(
1997
).
5.
K.
Tiedtke
,
A.
Azima
,
N.
Von Bargen
,
L.
Bittner
,
S.
Bonfigt
,
S.
Düsterer
,
B.
Faatz
,
U.
Frühling
,
M.
Gensch
,
C.
Gerth
 et al.,
New J. Phys.
11
,
023029
(
2009
).
6.
R. W.
Schoenlein
,
S.
Chattopadhyay
,
H. H. W.
Chong
,
T. E.
Glover
,
P. A.
Heimann
,
W. P.
Leemans
,
C. V.
Shank
,
A.
Zholents
, and
M.
Zolotorev
,
Appl. Phys. B
71
,
1
(
2000
).
7.
T.
Pfeifer
,
C.
Spielmann
, and
G.
Gerber
,
Rep. Prog. Phys.
69
,
443
(
2006
).
8.
C.
Stamm
,
T.
Kachel
,
N.
Pontius
,
R.
Mitzner
,
T.
Quast
,
K.
Holldack
,
S.
Khan
,
C.
Lupulescu
,
E. F.
Aziz
,
M.
Wietstruk
 et al.,
Nat. Mater.
6
,
740
(
2007
).
9.
B.
Pfau
,
S.
Schaffert
,
L.
Müller
,
C.
Gutt
,
A.
Al-Shemmary
,
F.
Büttner
,
R.
Delaunay
,
S.
Düsterer
,
S.
Flewett
,
R.
Frömter
 et al.,
Nat. Commun.
3
,
1100
(
2012
).
10.
D.
Rudolf
,
C.
La-O-Vorakiat
,
M.
Battiato
,
R.
Adam
,
J. M.
Shaw
,
E.
Turgut
,
P.
Maldonado
,
S.
Mathias
,
P.
Grychtol
,
H. T.
Nembach
 et al.,
Nat. Commun.
3
,
1037
(
2012
).
11.
S.
Mathias
,
J. M.
Shaw
,
E.
Turgut
,
P.
Grychtol
,
R.
Adam
,
D.
Rudolf
,
H. T.
Nembach
,
T. J.
Silva
,
M.
Aeschlimann
,
C. M.
Schneider
 et al.,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
189
,
164
(
2013
).
12.
A.
Scholl
,
L.
Baumgarten
,
R.
Jacquemin
, and
W.
Eberhardt
,
Phys. Rev. Lett.
79
,
5146
(
1997
).
13.
B.
Heitkamp
,
F.
Kronast
,
L.
Heyne
,
H. A.
Dürr
,
W.
Eberhardt
,
S.
Landis
, and
B.
Rodmacq
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
41
,
164002
(
2008
).
14.
H.-S.
Rhie
,
H. A.
Dürr
, and
W.
Eberhardt
,
Phys. Rev. Lett.
90
,
247201
(
2003
).
15.
A.
Weber
,
F.
Pressacco
,
S.
Günther
,
E.
Mancini
,
P. M.
Oppeneer
, and
C. H.
Back
,
Phys. Rev. B
84
,
132412
(
2011
).
16.
S.
Hellmann
,
M.
Beye
,
C.
Sohrt
,
T.
Rohwer
,
F.
Sorgenfrei
,
H.
Redlin
,
M.
Kalläne
,
M.
Marczynski-Bühlow
,
F.
Hennies
,
M.
Bauer
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
105
,
187401
(
2010
).
17.
R.
Haight
,
J.
Bokor
,
J.
Stark
,
R. H.
Storz
,
R. R.
Freeman
, and
P. H.
Bucksbaum
,
Phys. Rev. Lett.
54
,
1302
(
1985
).
18.
S.
Mathias
,
L.
Miaja-Avila
,
M. M.
Murnane
,
H. C.
Kapteyn
,
M.
Aeschlimann
, and
M.
Bauer
,
Rev. Sci. Instrum.
78
,
083105
(
2007
).
19.
T.
Rohwer
,
S.
Hellmann
,
M.
Wiesenmayer
,
C.
Sohrt
,
A.
Stange
,
B.
Slomski
,
A.
Carr
,
Y.
Liu
,
L.
Avila
,
M.
Kalläne
 et al.,
Nature
471
,
490
(
2011
).
20.
R.
Carley
,
K.
Döbrich
,
B.
Frietsch
,
C.
Gahl
,
M.
Teichmann
,
O.
Schwarzkopf
,
P.
Wernet
, and
M.
Weinelt
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
057401
(
2012
).
21.
I.
Gierz
,
J. C.
Petersen
,
M.
Mitrano
,
C.
Cacho
,
I. C. E.
Turcu
,
E.
Springate
,
A.
Stöhr
,
A.
Köhler
,
U.
Starke
, and
A.
Cavalleri
,
Nat. Mater.
12
,
1119
(
2013
).
22.
A.
Fognini
,
T. U.
Michlmayr
,
G.
Salvatella
,
C.
Wetli
,
U.
Ramsperger
,
T.
Bähler
,
F.
Sorgenfrei
,
M.
Beye
,
A.
Eschenlohr
,
N.
Pontius
 et al.,
Appl. Phys. Lett.
104
,
032402
(
2014
).
23.
M.
Escher
,
N. B.
Weber
,
M.
Merkel
,
L.
Plucinski
, and
C. M.
Schneider
,
e-J. Surf. Sci. Nanotechnol.
9
,
340
(
2011
).
24.
C.
La-O-Vorakiat
,
M.
Siemens
,
M. M.
Murnane
,
H. C.
Kapteyn
,
S.
Mathias
,
M.
Aeschlimann
,
P.
Grychtol
,
R.
Adam
,
C. M.
Schneider
,
J. M.
Shaw
 et al.,
Phys. Rev. Lett.
103
,
257402
(
2009
).
25.
C. M.
Schneider
,
J. J.
de Miguel
,
P.
Bressler
,
P.
Schuster
,
R.
Miranda
, and
J.
Kirschner
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
51
,
263
(
1990
).
26.
C. M.
Schneider
,
C.
Wiemann
,
M.
Patt
,
V.
Feyer
,
L.
Plucinski
,
I. P.
Krug
,
M.
Escher
,
N.
Weber
,
M.
Merkel
,
O.
Renault
 et al.,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
185
,
330
(
2012
).
27.
E. L.
Falcão-Filho
,
C.-J.
Lai
,
K.-H.
Hong
,
V.-M.
Gkortsas
,
S.-W.
Huang
,
L.-J.
Chen
, and
F. X.
Kärtner
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
061107
(
2010
).
28.
S.
Eich
,
A.
Stange
,
A. V.
Carr
,
J.
Urbancic
,
T.
Popmintchev
,
M.
Wiesenmayer
,
K.
Jansen
,
A.
Ruffing
,
S.
Jakobs
,
T.
Rohwer
 et al.,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
195
,
231
(
2014
).
29.
B. L.
Henke
,
E. M.
Gullikson
, and
J. C.
Davis
,
At. Data Nucl. Data Tables
54
,
181
(
1993
).
30.
F.
Schäfers
,
Technischer Bericht: Berliner Elektronenspeicherring-Gesellschaft für Synchrotronstrahlung
(
BESSY
,
1996
).
31.
A.
Winkelmann
,
D.
Hartung
,
H.
Engelhard
,
C.-T.
Chiang
, and
J.
Kirschner
,
Rev. Sci. Instrum.
79
,
083303
(
2008
).
32.
J. J.
De Miguel
,
A.
Cebollada
,
J. M.
Gallego
,
R.
Miranda
,
C. M.
Schneider
,
P.
Schuster
, and
J.
Kirschner
,
J. Magn. Magn. Mater.
93
,
1
(
1991
).
33.
A. K.
Schmid
and
J.
Kirschner
,
Ultramicroscopy
42
,
483
(
1992
).
34.
G. J.
Mankey
,
R. F.
Willis
, and
F. J.
Himpsel
,
Phys. Rev. B
48
,
10284
(
1993
).
35.
C. M.
Schneider
, “
Electronic structure and magnetic properties of ultrathin epitaxial films: fcc-Cobalt on Cu(100)
,” Ph.D. thesis, Freie Universität Berlin, 1990.
36.
P.
Krams
,
F.
Lauks
,
R.
Stamps
,
B.
Hillebrands
, and
G.
Güntherodt
,
Phys. Rev. Lett.
69
,
3674
(
1992
).
37.
G.
Schonhense
and
U.
Heinzmann
,
J. Phys. E: Sci. Instrum.
16
,
74
(
1983
).
38.
C.-T.
Chiang
,
A.
Winkelmann
,
P.
Yu
,
J.
Kirschner
, and
J.
Henk
,
Phys. Rev. B
81
,
115130
(
2010
).
39.
K.
Miyamoto
,
K.
Iori
,
K.
Sakamoto
,
H.
Narita
,
A.
Kimura
,
M.
Taniguchi
,
S.
Qiao
,
K.
Hasegawa
,
K.
Shimada
,
H.
Namatame
 et al.,
New J. Phys.
10
,
125032
(
2008
).
40.
A. B.
Schmidt
,
M.
Pickel
,
T.
Allmers
,
M.
Budke
,
J.
Braun
,
M.
Weinelt
, and
M.
Donath
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
41
,
164003
(
2008
).
41.
L.
Plucinski
,
A.
Oelsner
,
F.
Matthes
, and
C. M.
Schneider
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
181
,
215
(
2010
).
42.
K.
Miyamoto
,
K.
Iori
,
K.
Sakamoto
,
A.
Kimura
,
S.
Qiao
,
K.
Shimada
,
H.
Namatame
, and
M.
Taniguchi
,
J. Phys.: Condens. Matter
20
,
225001
(
2008
).
43.
C. M.
Schneider
,
P.
Schuster
,
M.
Hammond
,
H.
Ebert
,
J.
Noffke
, and
J.
Kirschner
,
J. Phys.: Condens. Matter
3
,
4349
(
1991
).
44.
M.
Ellguth
, “
A spin- and momentum-resolved photoemission study of strong electron correlation in Co/Cu(001)
,” Ph.D. thesis, Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, 2015.
45.
S.
Monastra
,
F.
Manghi
,
C. A.
Rozzi
,
C.
Arcangeli
,
E.
Wetli
,
H.-J.
Neff
,
T.
Greber
, and
J.
Osterwalder
,
Phys. Rev. Lett.
88
,
236402
(
2002
).
46.
A.
Grechnev
,
I.
Di Marco
,
M. I.
Katsnelson
,
A. I.
Lichtenstein
,
J.
Wills
, and
O.
Eriksson
,
Phys. Rev. B
76
,
035107
(
2007
).
47.
S.
Passlack
,
S.
Mathias
,
O.
Andreyev
,
D.
Mittnacht
,
M.
Aeschlimann
, and
M.
Bauer
,
J. Appl. Phys.
100
,
024912
(
2006
).
48.
A.
Pietzsch
,
A.
Föhlisch
,
M.
Beye
,
M.
Deppe
,
F.
Hennies
,
M.
Nagasono
,
E.
Suljoti
,
W.
Wurth
,
C.
Gahl
,
K.
Döbrich
 et al.,
New J. Phys.
10
,
033004
(
2008
).
49.
B.
Frietsch
,
R.
Carley
,
K.
Döbrich
,
C.
Gahl
,
M.
Teichmann
,
O.
Schwarzkopf
,
P.
Wernet
, and
M.
Weinelt
,
Rev. Sci. Instrum.
84
,
075106
(
2013
).
50.
X. J.
Zhou
,
B.
Wannberg
,
W. L.
Yang
,
V.
Brouet
,
Z.
Sun
,
J. F.
Douglas
,
D.
Dessau
,
Z.
Hussain
, and
Z.-X.
Shen
,
J. Electron Spectrosc. Relat. Phenom.
142
,
27
(
2005
).
51.
S.
Hellmann
,
K.
Rossnagel
,
M.
Marczynski-Bühlow
, and
L.
Kipp
,
Phys. Rev. B
79
,
035402
(
2009
).
52.
J.
Peatross
and
D. D.
Meyerhofer
,
Phys. Rev. A
51
,
R906
(
1995
).
53.
F.
Schäfers
,
Modern Developments in X-Ray and Neutron Optics
(
Springer
,
2008
), pp.
9
41
.
54.
W.
Wallauer
and
T.
Fauster
,
Phys. Rev. B
54
,
5086
(
1996
).
55.
D. M.
Riffe
,
R. M.
More
,
X. Y.
Wang
,
M. C.
Downer
,
D. L.
Fisher
,
T.
Tajima
, and
J. L.
Erskine
,
JOSA B
10
,
1424
(
1993
).
56.
M.
Aeschlimann
,
C. A.
Schmuttenmaer
,
H. E.
Elsayed-Ali
,
R. J. D.
Miller
,
J.
Cao
,
Y.
Gao
, and
D. A.
Mantell
,
J. Chem. Phys.
102
,
8606
(
1995
).
57.
G.
Banfi
,
G.
Ferrini
,
M.
Peloi
, and
F.
Parmigiani
,
Phys. Rev. B
67
,
035428
(
2003
).
58.
R.
Yen
,
J.
Liu
, and
N.
Bloembergen
,
Opt. Commun.
35
,
277
(
1980
).
59.
G.
Ferrini
,
F.
Banfi
,
C.
Giannetti
, and
F.
Parmigiani
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res., Sect. A
601
,
123
(
2009
).
60.
S.
Hellmann
,
C.
Sohrt
,
M.
Beye
,
T.
Rohwer
,
F.
Sorgenfrei
,
M.
Marczynski-Bühlow
,
M.
Kalläne
,
H.
Redlin
,
F.
Hennies
,
M.
Bauer
 et al.,
New J. Phys.
14
,
013062
(
2012
).
61.
J.
Kupersztych
,
P.
Monchicourt
, and
M.
Raynaud
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
5180
(
2001
).
62.
L. P.
Oloff
,
M.
Oura
,
K.
Rossnagel
,
A.
Chainani
,
M.
Matsunami
,
R.
Eguchi
,
T.
Kiss
,
Y.
Nakatani
,
T.
Yamaguchi
,
J.
Miyawaki
 et al.,
New J. Phys.
16
,
123045
(
2014
).
63.
B. J.
Siwick
,
J. R.
Dwyer
,
R. E.
Jordan
, and
R. J. D.
Miller
,
J. Appl. Phys.
92
,
1643
(
2002
).
64.
H.
Wang
,
Y.
Xu
,
S.
Ulonska
,
P.
Ranitovic
,
J. S.
Robinson
, and
R. A.
Kaindl
,
Nat. Commun.
6
,
7459
(
2015
).
65.
C.-T.
Chiang
,
A.
Blättermann
,
M.
Huth
,
J.
Kirschner
, and
W.
Widdra
,
Appl. Phys. Lett.
101
,
071116
(
2012
).
66.
S.
Hädrich
,
A.
Klenke
,
J.
Rothhardt
,
M. l.
Krebs
,
A.
Hoffmann
,
O.
Pronin
,
V.
Pervak
,
J.
Limpert
, and
A.
Tünnermann
,
Nat. Photonics
8
,
779
(
2014
).
You do not currently have access to this content.