Das Verständnis von Spin-Transfer-Drehmomenten mithilfe von ab-initio Simulationen

• Antragsteller: Privatdozent Dr. Peter Elliott, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 438494688

Das übergreifende Ziel dieser Arbeit ist es, das Spin-Bahn-Drehmoment (SBD) auf mikroskopischer Ebene mithilfe von ab-initio Simulationen zu beschreiben und außerdem zu verstehen, wie man das SBD mit Femtosekunden-Laserpulsen kontrollieren kann.Das Spin-Bahn-Drehmoment (SBD) und das damit verwandte Spin-Transfer-Drehmoment (STD) stellen eine effizientere Methode zur Datenverarbeitung in Aussicht und werden daher voraussichtlich als Grundlage zukünftiger IT-Technologien dienen. Anstatt der Ladungsstromdichte nutzen sowohl SBD als auch STD die Spinstromdichte aus, um ein Drehmoment an lokalen, magnetischen Momenten zu erzeugen, in dessen Vorzugsrichtung Daten kodiert werden. Um diese Technologie in Halbleiterbauelementen einzubetten, die unseren zukünftigen technologischen Anforderungen gewachsen sind, ist es daher notwendig, die damit verbundenen physikalischen Vorgänge auf quantenmechanischer Ebene zu verstehen. Das grundlegende Verständnis des SBD/STD ist noch unvollständig und Teil der aktuellen Forschung.Ab-initio Simulationen eignen sich dafür die physikalische Vorgänge, die mit SBD und STD verbunden sind, zu ergründen, da sie in der Lage sind die Materialantwort of externe elektrische und magnetische Felder zu beschreiben ohne von materialspezifischen Annahmen auszugehen.Mithilfe von ab-initio Simulationen werde ich daher das Verhalten des SBD/STD in unterschiedlichen Materialien und Geometrien berechnen und die stattfindenden physikalischen Vorgänge untersuchen. Eine exakte Beschreibung dieser Phänomene ist sehr rechenintensiv, da es an sich erforderlich ist, die Schrödingergleichung wechselwirkender Elektronen zu lösen. Ab-initio Simulationen auf den erforderlichen Größen- und Zeitskalen sind allerdings mithilfe der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie durchführbar. In den letzten fünf Jahren wurde diese Methode erfolgreich in unserer Forschungsgruppe eingesetzt, um interessante physikalische Phänomene mit Bezug auf die ultraschnelle Spindynamik zu berechnen.Die erforderliche Spinstromdichte, um ein SBD/STD zu entwickeln, kann in magnetischen Materialen dadurch erzeugt werden, indem man eine Ladungsstromdichte induziert. In nichtmagnetischen Materialen wird hingegen der Spin-Hall-Effekt (SHE) ausgenutzt. Beide Mechanismen werden in dieser Arbeit untersucht. Darüberhinaus ist das Verständnis des SHE für sich genommen interessant, da die bestehenden physikalischen Modelle des SHE in ultraschnellen Zeitskalen nicht anwendbar sind. Daher werde ich den Computercode, den ich für die ab-initio Simulationen des SHE im linearen und nichtlinearen Regime entwickeln werde, frei unter der GNU General Public License (GPL) veröffentlichen.Als letzte Anwendung werde ich das Verhalten des SBD/STD in Materialen unter Beschuss von Femtosekunden-Laserpulsen auf ultraschnellen Zeitskalen untersuchen. Daher können ab-initio Simulationen, die die Abhängigkeit der Spinstromdichte und des magnetischen Drehmoments von Laserparametern.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen