Spin-Bahn-Effekte in magnetischen Systemen: Photoelektronen-Spektroskopie und ab initio Theorie

• Antragsteller: Dr. Gustav Bihlmayer; Professor Dr. Günter Kaindl, seit 2/2007
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2005 bis 2011
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 17096202

• Erstellungsjahr: 2011

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Im vorliegenden Projekt "Spin-Bahn Effekte in Festkörpern“ wurden auf der Basis der Dichtefunktionaltheorie relativistische Effekte einerseits in Lanthaniden, andererseits in dünnen magnetischen Filmen auf schweren Substraten untersucht. Dabei wurde die elektronische Struktur von Terbium und der hexagonalen Tb(0001) Oberfläche mit und ohne Berücksichtigung der Spin-Bahn Wechselwirkung berechnet und mit Daten aus der winkelaufgelösten Photoelektronenemissionsspektroskopie verglichen. Dabei zeigt sich eine magnetisierungsrichtungsabhängige Verschiebung des Oberflächenzustands im reziproken Raum, die durch die Präsenz des starken Kernpotentials einerseits und des Oberflächenpotentials andererseits zustande kommt. Dieser Effekt ist dem sogenannten Rashba-Effekt in Halbleitern verwandt. Es ist möglich die Stärke dieser Verschiebung durch Adsorbate (z.B. Sauerstoff) zu modifizieren. Einen ähnlichen Effekt findet man auch auf den unmagnetischen Oberflächen von Yttrium und Lutetium. Bei ultradünnen magnetischen Filmen (z.B. eine Monolage Fe oder Mn) auf schweren Substraten wie Wolfram ist sogar eine Modifikation der magnetischen Struktur durch Spino Bahn Effekte möglich: wir konnten zeigen, dass aufgrund der gebrochenen Inversionssyma metrie an Oberflächen immer das Auftreten der sogenannten Dzyaloshinskii-Moriya (DM) Wechselwirkung erlaubt ist, die zur Ausbildung von spiralförmigen magnetischen Strukturen führen kann. Im Gegensatz zu anderen, nicht-relativistischen Wechselwirkungen, die auch Spinspiralen begünstigen k¨nnen, haben diese DM-induzierten magnetischen Strukturen aber einen eindeutigen Drehsinn, der von der Potentialform an der Oberfläche abhängt. Für einige untersuchte Systeme (Mn auf W(110) und W(001)) wurden diese magnetischen Strukturen auch mittels Rastersondenmikroskopie experimentell nachgewiesen. In anderen Fällen wird zwar der magnetische Grundzustand nicht direkt beeinflusst, dennoch können gewisse experimentelle Befunde, z.B. die Richtung von Domänenwänden, nicht ohne diese Wechselwirkung erklärt werden. Substrate mit hoher Kernladungszahl (Wolfram, Platin) begünstigen diese Effekte. Obwohl man vor Beginn des Vorhabens um den Einfluss relativistischer Effekte auf dünne magnetische Filme wusste, wurde in der wissenschaftlichen Literatur fast ausschließlich die magnetokristalline Anisotropie als Spin-Bahn Effekt betrachtet. Erst durch die Entdeckung der Spinspiralen, die von Mn auf W(110) gebildet werden, rückte der Aspekt der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung an Oberflächen in den Mittelpunkt. Entsprechend verschob sich auch der Fokus des vorliegenden Projekts in den letzten Jahren in diese Richtung. Als größter Erfolg, an dem das vorliegende Projekt beteiligt war, kann sicherlich die Entdeckung der "chiralen magnetischen Ordnung an Oberflächen“ gesehen werden. Die Publikation in der Zeitschrift Nature ist mittlerweile 85 Mal zitiert (ISI Web of Knowledge, Mai 2011) und wurde durch eine Pressemitteilung des Forschungszentrums Jülich auch in mehrere Printmedien verbreitet.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Spin-Orbit Driven Physics at Surfaces. Psi-k Newsletter No.78: Scientific Highlight of the Month (2006)
  M. Heide, G. Bihlmayer, Ph. Mavropoulos, A. Bringer and S. Blügel
  
• Electronic Band Structure and Fermi Surface of Ferromagnetic Terbium Metal: Experiment and Theory. Phys. Rev. B 76, 035123 (2007)
  K. M. Döbrich, G. Bihlmayer, K. Starke, J. E. Prieto, K. Rossnagel, H. Koh, E. Rotenberg, S. Blügel, and G. Kaindl
  
• Inversion-asymmetry driven chiral magnetic order at surfaces. Nature 441, 191 (2007)
  M. Bode, M. Heide, K. von Bergmann, P. Ferriani, S. Heinze, G. Bihlmayer, A. Kubetzka, O. Pietzsch, S. Blügel and R. Wiesendanger
  
• Dzyaloshinskii-Moriya interaction accounting for the orientation of magnetic stripe domains in Fe/W(110). Phys. Rev. B 78, 140403(R) (2008)
  M. Heide, G. Bihlmayer, und S. Blügel
  
• Rashba effect at the surfaces of rare-earth metals and their monoxides. New J. Phys. 9 013035 (2009)
  O. Krupin, G. Bihlmayer, K. M. Döbrich, J. E. Prieto, K. Starke, S. Gorovikov, S. Blügel, S. Kevan, and G. Kaindl
  
• Non-planar Dzyaloshinskii spirals and magnetic domain walls in non-centrosymmetric systems with orthorhombic anisotropy. Journal of Nanoscience and Nanotechnology 11, 3005 (2011)
  M. Heide, G. Bihlmayer, and S. Blügel