Untersuchung topologischer Spinstrukturen jenseits von Skyrmionen ausgehend von ab initio Rechnungen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Heinze
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462602351

Magnetische Skyrmionen – stabile, lokalisierte Spinstrukturen – sind vielversprechend für zukünftige Anwendungen in der Spintronik. Eine Einschränkung in ihrer potentiellen Anwendung besteht darin, dass sie dem Skyrmion-Hall-Effekt unterliegen. Dieser Effekt führt dazu, dass Skyrmionen von der Richtung des elektrischen Stromes abgelenkt werden. In einer Race-Track-Geometrie bewegen sie sich daher zum Rand der Spur, wo sie ausgelöscht werden, so dass die Information verloren geht. Die Nutzung von Skyrmionen zur Codierung von Information wird auch dadurch eingeschränkt, dass man ein Bit über die Anwesenheit (=1) oder Abwesenheit (=0) des Skyrmions darstellt. Es wäre sehr vorteilhaft, wenn man einen anderen metastabilen Spinzustand für den Bitzustand 0 zur Verfügung hätte. Daher ist es nicht nur von fundamentalem Interesse Systeme zu untersuchen, in denen mehr als nur eine metastabile Spinstruktur koexistieren können.Neben Skyrmionen wurden vielfältige andere topologische Spinstrukturen wie Antiskyrmionen, antiferromagnetische Skyrmionen oder Skyrmionen höherer Ordnung vorhergesagt. Diese Spinstrukturen besitzen vielversprechende Eigenschaften, insbesondere unterliegen sie nicht dem Skyrmion-Hall-Effekt. Allerdings basieren bisherige theoretische Studien auf beliebig gewählten Parametern für die magnetischen Wechselwirkungen und die Stabilität dieser Spinstrukturen ist weitestgehend unerforscht. Speziell die Mechanismen für ihren Zerfall sind unbekannt und die Energiebarrieren, die sie gegen den Zerfall stabilisieren, wurden nicht berechnet. Ultimativ muss die Lebenszeit der topologischen Spinstrukturen bestimmt werden, welches eine extrem herausfordernde Aufgabe ist, da die möglichen Übergangspfade komplex sind und neben den Energiebarrieren auch die Vorfaktoren im Arrhenius Gesetz berechnet werden müssen. Weiter besteht ein Bedarf an atomistischen Spinmodellen mit ab initio Parametern, um vielversprechende Materialsysteme für die experimentelle Entdeckung und potentielle Anwendungen zu finden.In diesem Projekt werden wir einen atomistischen Spinsimulationscode weiterentwickeln und anwenden, der auf ab initio Rechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie (DFT) aufbaut, um neue Materialsysteme vorherzusagen, in denen topologische Spinstrukturen jenseits von Skyrmionen auftreten. Wir entwickeln Verfahren zur Simulation atomistischer Spinmodelle weiter, um sie auf die neuen topologische Spinstrukturen anwenden zu können. Mit diesen Methoden berechnen wir die Zerfalls- und Erzeugungsmechanismen, die Stabilität und die Lebenszeit dieser Spinstrukturen bei endlichen Temperaturen basierend auf DFT-Parametern für alle magnetischen Wechselwirkungen. Die Wahl der Materialsysteme erlaubt ihre experimentelle Realisierung, so dass neuartige topologische Spinstrukturen entdeckt werden können. Dies wird ein wichtiger Schritt sein, um solche topologischen Spinstrukturen in der Spintronik anzuwenden.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2137: Skyrmionics: Topologische Spin-Phänomene im Realraum für Anwendungen
• Internationaler Bezug: Island
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pavel Bessarab