Ab initio Studie des nicht-kollinearen Magnetismus bei 3d-Übergangsmetallketten auf Oberflächen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Ziel dieses Projekts war es, das Zusammenspiel von Austauschwechselwirkung, Dzyaloshinskii-Moriya (DM) Wechselwirkung und magnetokristalliner Anisotropie in quasi-eindimensionalen (1D) 3d-Übergangsmetallketten auf Metalloberflächen zu verstehen und das mögliche Auftreten eines nicht-kollinearen Grundzustandes zu studieren. Solche 1D Systeme an Oberflächen konnten in den letzten Jahren experimentell hergestellt werden, wurden aber bisher theoretisch nur im Hinblick auf eine kollineare magnetische Ordnung und die magnetokristalline Anisotropie untersucht. Insbesondere sollten die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von atomaren Ketten aus 3d-Übergangsmetallen auf 4d- und 5d-Übergangsmetalloberflächen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) studiert werden und das Auftreten einer nichtkollinearen Spinstruktur untersucht werden. Die Gesamtenergierechnungen für verschiedene kollineare und nicht-kollineare Spinstrukturen unter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplung wurden auf ein erweitertes Heisenberg-Modell abgebildet, um mittels Monte-Carlo (MC) Simulationen die Suche nach dem magnetischen Grundzustand auf komplexere Spinstrukturen ausdehnen. Auch die Nachweisbarkeit der nicht-kollinearen magnetischen Ordnung durch spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) sollte theoretisch exploriert werden. Folgende Ergebnisse haben wir innerhalb des Projekts erzielt: Wir haben (i) mittels einer Kombination aus DFT, MC Simulationen und SP-RTM das Auftreten einer nichtkollinearen Spinstruktur in biatomaren Eisenketten nachweisen können, die auf der (5x1) rekonstruierten Ir(001) wachsen, (ii) basierend auf DFT und Transportrechnungen den Einfluss einer nichtkollinearen Spinkonfiguration auf Magnetowiderstandsmessungen in spin-polarisierter Kontakt-RTM untersucht, (iii) demonstriert, dass die leichte Magnetisierungsachse in biatomaren Kobaltketten auch auf einer flachen Metalloberfläche wie der (5x1) rekonstruierten Ir(001) drastisch von der Normalen verkippt sein kann, und (iv) basierend auf DFT und MC Simulationen das Auftreten von einzelnen magnetischen Skyrmionen in ultradünnen Übergangsmetallfilmen erklärt. Pressemeldung Nr. 161/2014 der CAU Kiel vom 04.06.2014: „Magnetische Wirbel massgeschneidert“
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Giant magnetization canting due to symmetry breaking in zigzag Co chains on Ir(001)
B. Dupé, J. E. Bickel, Y. Mokrousov, F. Otte, K. von Bergmann, A. Kubetzka, S. Heinze, and R. Wiesendanger
- Conductance fingerprints of noncollinear magnetic states in single-atom contacts: A first-principles Wannierfunctions study, Phys. Rev. B 86, 165449 (2012)
B. Hardrat, F. Freimuth, S. Heinze, and Y. Mokrousov
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevB.86.165449) - Information transfer by vector spin chirality in finite magnetic chains, Phys. Rev. Lett. 108, 197204 (2012)
M. Menzel, Y. Mokrousov, R. Wieser, J. E. Bickel, E. Vedmedenko, S. Blügel, S. Heinze, K. von Bergmann, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.108.197204) - Tailoring magnetic skyrmions in ultra-thin transition-metal films, Nature Communications 5, 4030 (2014)
B. Dupé, M. Hoffmann, C. Paillard, and S. Heinze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms5030)
