Many-body theory of laser-induced ultrafast demagnetization and angular momentum transfer in ferromagnetic transition metals

An electronic theory is developed, which describes the ultrafast demagnetization in itinerant ferromagnets following the absorption of a femtosecond laser pulse. The present work intends to elucidate the microscopic physics of this ultrafast phenomenon by identifying its fundamental mechanisms. In particular, it aims to reveal the nature of the involved spin excitations and angular-momentum transfer between spin and lattice, which are still subjects of intensive debate. In the first preliminary part of the thesis the initial stage of the laser-induced demagnetization process is considered. In this stage the electronic system is highly excited by spin-conserving elementary excitations involved in the laser-pulse absorption, while the spin or magnon degrees of freedom remain very weakly excited. The role of electron-hole excitations on the stability of the magnetic order of one- and two-dimensional 3d transition metals (TMs) is investigated by using ab initio density-functional theory. The results show that the local magnetic moments are remarkably stable even at very high levels of local energy density and, therefore, indicate that these moments preserve their identity throughout the entire demagnetization process. In the second main part of the thesis a many-body theory is proposed, which takes into account these local magnetic moments and the local character of the involved spin excitations such as spin fluctuations from the very beginning. In this approach the relevant valence 3d and 4p electrons are described in terms of a multiband model Hamiltonian which includes Coulomb interactions, interatomic hybridizations, spin-orbit interactions, as well as the coupling to the time-dependent laser field on the same footing. An exact numerical time evolution is performed for small ferromagnetic TM clusters. The dynamical simulations show that after ultra-short laser pulse absorption the magnetization of these clusters decreases on a time scale of hundred femtoseconds. In particular, the results reproduce the experimentally observed laser-induced demagnetization in ferromagnets and demonstrate that this effect can be explained in terms of the following purely electronic non-adiabatic mechanism: First, on a time scale of 10–100 fs after laser excitation the spin-orbit coupling yields local angular-momentum transfer between the spins and the electron orbits, while subsequently the orbital angular momentum is very rapidly quenched in the lattice on the time scale of one femtosecond due to interatomic electron hoppings. In combination, these two processes result in a demagnetization within hundred or a few hundred femtoseconds after laser-pulse absorption.

Der Momentum-Effekt und Momentum-Handelsstrategien

Diese Arbeit weist Momentum-Renditen für europäische Aktien im Zeitraum von 1991 bis 2010 nach, die – je nach Top/Flop-Prozentsatz – vor Kosten zwischen 6 und 19% p.a. liegen. Gleichzeitig liegen mit hohen Standardabweichungen, negativen Schiefe-Werten und hohen Drawdowns drei wesentliche Risikofaktoren vor. Für die Kernuntersuchungen des Top/Flop-Wertes von 5% treten die höchsten Momentum-Renditen von mehr als 10% p.a. für Ranking-Perioden von 80 bis 100 und Holding-Perioden von 60 bis 90 Handelstagen auf. Grundsätzlich sind die extremsten Aktien der Ranking-Periode entscheidend für die Ausprägung des Momentum-Effekts. Gleichzeitig steigen mit zunehmender Eingrenzung des Top/Flop-Wertes die Risiken, was eine Erklärung hoher Momentum-Renditen aus Sicht der Risikoaversions-Theorie nahelegt. Auch die Berücksichtigung zusätzlicher Filterbedingungen (Gleitende Durchschnitte, Handelsvolumen, Low Volatility) ermöglicht leicht höhere Momentum-Renditen bei entsprechend höheren Risiken. Zwischen dem Momentum-Effekt und dem Auftreten von Kurslücken besteht dagegen kein klarer Zusammenhang. Für die praktische Anwendung sind Momentum-Strategien mit dynamischer Positionsverwaltung während der Haltedauer interessant. Untersucht wurden Strategien anhand der eigens programmierten Simulationsverfahren Stopout und Castout sowie eines kombinierten Verfahrens. Im Ergebnis sind – je nach Präferenz des Investors – das Castout- und das kombinierte Verfahren optimal. Für das Rebalancing der Portfolios empfiehlt es sich, zu den entsprechenden Terminen jeweils nur die Short-Seite auf den Startwert zurückzusetzen. Weiterhin zeigen die Untersuchungen, dass deutliche Long-Übergewichtungen bei Momentum-Strategien grundsätzlich von Vorteil sind. Potenzielle Verbesserungen der Ergebnisse können durch weitere Stopp-Abstände, eine Verringerung des Top/Flop-Wertes oder eine längere Ranking-Periode erzielt werden. Weiterhin sind für die Praxis Long-only-Strategien auf Basis von Doppelranking-Verfahren attraktiv, bei denen das Zweitranking nach Standardabweichung oder Rendite/Standardabweichungs-Ratio erfolgt.