Austauschwechselwirkung und Spinschalten einzelner Atome

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Heinze
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445697818

Die Austauschwechselwirkung spielt eine grundlegende Rolle in der Theorie des Magnetismus. Die Stärke dieser Wechselwirkung, die im Heisenberg Modell in den Austauschkonstanten quantifiziert wird, wird typischerweise durch die Messung von inelastischen Spinanregungen mittels Neutronen oder Elektronen gemessen. Mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (RKM) mit magnetischen Spitzen ist es auch möglich die Austauschwechselwirkung direkt zu messen. Diese Technik, die erstmals 2007 demonstriert wurde, wird als magnetische Austauschkraftmikroskopie bezeichnet und wurde verwendet, um die Austauschwechselwirkung zwischen einer magnetischen Spitze und magnetischen Oberflächen zu messen. Jedoch konnte bislang noch nicht die Austauschwechselwirkung mit einzelnen magnetischen Adatomen bestimmt werden. Im Gegensatz dazu sind Kontaktmessungen an einzelnen Atomen mittels Rastertunnelmikroskopie (RTM) von vielen Gruppen weltweit durchgeführt worden. Kürzlich konnte demonstriert werden, dass man die RTM und die RKM mit magnetischen Spitzen in einem Instrument kombinieren kann, um parallel den spin-polarisierten (SP) Tunnelstrom und die Austauschkräfte (EX) zu messen – eine Technik, die als SPEX Abbildung und Spektroskopie bezeichnet wird.In dem hier vorgestellten Projekt möchten wir basierend auf Rechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) SPEX Experimente verstehen und neue vielversprechende Systeme für solche Messungen theoretisch explorieren. DFT Methoden spielen bei der Interpretation von RTM und RKM Messungen oft eine entscheidende Rolle. Hier werden wir die DFT benutzen, um die Austauschwechselwirkung zwischen einer magnetischen Spitze und Adatomen und Dimeren auf magnetischen Oberflächen zu untersuchen. In Kollaboration mit unseren experimentellen Partnern von der Radboud Universität, Nijmegen, möchten wir die ersten abstandsabhängigen Austauschenergiekurven und –kraftkurven für einzelne magnetische Atome ermitteln. Dadurch wird es möglich die Stärke dieser Austauschwechselwirkung zu quantifizieren und ihre Abhängigkeit vom gewählten Adatome sowie von der Terminierung der magnetische Spitze zu bestimmen. Durch die Berechnung von Karten der Austauschkräfte möchten wir weiterhin einen tieferen Einblick in die zugrundeliegenden mikroskopischen Mechanismen erhalten. Das zweite Ziel dieses Projekts besteht darin, den magnetischen Zustand eines einzelnen Atoms mit Hilfe von Austauschkräften zu schalten. Dazu werden wir vielversprechende Materialsysteme untersuchen, um die Experimente zu leiten. Schließlich möchten wir auch Effekte der Spin-Bahn-Kopplung und nichtkollinearer magnetischer Zustände auf Austauschkräfte studieren – der Einfluss beider Aspekte ist bislang theoretisch überhaupt nicht berücksichtigt worden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Niederlande
• Kooperationspartner: Professor Dr. Alexander Ako Khajetoorians