Magnetische Grundzustände und Austausch-Wechelwirkungen höherer Ordnung jenseits von Monolagen

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Dr. Kirsten von Bergmann; Professor Dr. Stefan Heinze
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 418425860

Der magnetische Grundzustand eines Materials wird durch die magnetischen Wechselwirkungen (WW) zwischen den atomaren magnetischen Momenten bestimmt. Im Standard-Spinmodell sind die paarweise Austausch-WW, die Dzyaloshinskii-Moriya-WW (DMW) sowie die magnetokristalline Anisotropie enthalten. Allerdings können Austausch-WW höherer Ordnung, in denen Austausch zwischen mehr als zwei Gitterplätzen auftritt, eine wichtige Rolle spielen und zu interessanten magnetischen Grundzuständen mit drei-dimensionalen Spinkonfigurationen führen. Weiterhin können diese Terme topologische Spinstrukturen wie Skyrmionen oder Antiskyrmionen stabilisieren sogar ohne DMW. Kürzlich sind weitere WW höherer Ordnung theoretisch vorhergesagt worden wie die topologisch-chiralen und die chiralen Multi-Spin WW. Bisherige Studien haben sich nahezu ausschließlich auf magnetische Systeme mit einer atomaren magnetischen Lage konzentriert. Für Anwendungen basierend auf dem elektronischen Transport z.B. in Multilagen sind jedoch Systeme jenseits von Monolagen relevant. Ein realistisches atomares Spinmodell für magnetische Bi- und Trilagen fehlt, ist jedoch unentbehrlich, um zukünftig Vorhersagen für Materialien mit gewünschten Eigenschaften zu machen, wie den magnetischen Grundzustand, Phasenübergänge, thermodynamische Eigenschaften, Existenz und Stabilität topologischer Spinstrukturen, und Spindynamik. Das Ziel dieses Projekts besteht darin, die magnetischen und elektronischen Eigenschaften von Modellsystemen für magnetische Filme jenseits von Monolagen auf einkristallinen Oberflächen zu verstehen. Wir werden Dichtefunktionaltheorie (DFT), atomistische Spinsimulationen und spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie (RTM) kombinieren, um zu untersuchen, welche Arten von atomar- und nanoskaligen magnetischen Grundzuständen möglich sind. Um die mikroskopische Ursache komplexer Spinstrukturen in 3d-Übergangsmetall Bi- und Trilagen zu erklären, werden wir komplementär zu den RTM Messungen ein atomistisches Spinmodell entwicklen, das verschiedene Typen von Inter- und Intralagen-WW enthält, mit Parametern aus der DFT. Die Rolle von Interlagenaustausch-WW höherer Ordnung in magnetischen Filmen jenseits von Monolagen ist bislang ungeklärt. Wir werden untersuchen, welche WW möglich sind und wie sie den magnetischen Grundzustand beeinflussen. Basierend auf dem Vergleich von DFT und RTM Messungen werden wir auch den wechselseitigen Einfluss der Symmetrie der magnetischen Struktur und der elektronischen Eigenschaften untersuchen, die relevant für Transporteigenschaften sind. Aus unserer Sicht ist eine kombinierte experimentelle und theoretische Studie unerlässlich, um ein Verständnis der Rolle verschiedener WW für den magnetischen Grundzustand und auf den Einfluss des Magnetismus auf die elektronischen Zustände in Systemen jenseits von Monolagen zu erlangen. Wir gehen davon aus, dass unser Projekt zur Entdeckung neuer Spinstrukturen und Stabilisierungsmechanismen führen wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Island
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pavel Bessarab