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Complex magnetism of nanostructures on surfaces : from orbital magnetism to spin excitations = Komplexer Magnetismus in Nanostrukturen auf Oberflächen: vom Bahnmagnetismus bis zu Spin-Anregungen
2021
Dissertation, RWTH Aachen University, 2020
Druckausgabe: 2021. - Onlineausgabe: 2021. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-07-13
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2021-01904
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/813700/files/813700.pdf
Einrichtungen
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
density functional theory (frei) ; magnetic interactions (frei) ; magnetic nanostructures (frei) ; orbital magnetism (frei) ; superconductivity (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Magnetische Nanostrukturen auf Oberflächen sind vielversprechende Bausteine zukünftiger Spintronik-Geräte, da sie die ultimative Grenze der Miniaturisierung darstellen. In dieser Arbeit wird eine Kombination aus Dichtefunktionaltheorie und modellbasierten Studien verwendet, um magnetische Nanostrukturen auf Oberflächen in Bezug auf grundlegende theoretische Eigenschaften und in Bezug auf Experimente in der Rastertunnelmikroskopie zu untersuchen. Neue Eigenschaften werden in dieser Klasse von Systemen durch verschiedene methodische Entwicklungen enthüllt - von einer neuen Perspektive auf den Bahnmagnetismus bis hin zu den statischen und dynamischen Eigenschaften komplexer nicht-kollinearer magnetischer Zustände. Erstens betrachten wir das magnetische Bahnmoment in magnetischen Nanostrukturen auf Oberflächen und finden eine neue Komponente - das interatomare Bahnmoment. Eine systematische Analyse deckt seinen eindeutigen physikalischen Ursprung, seine nicht zu vernachlässigende Stärke und seine besonders große Reichweite in realistischen Systemen wie Adatomen auf der Pt(111)-Oberfläche auf. Unsere Ergebnisse zeigen eindeutig die Bedeutung und das Potential dieses neuen Beitrags zum Bahnmagnetismus. Zweitens untersuchen wir magnetische Austauschwechselwirkungen in magnetischen Nanostrukturen, die über die üblichen bilinearen Austauschwechselwirkungen hinausgehen. Besonderes Augenmerk wird auf Wechselwirkungen höherer Ordnung gelegt, deren mikroskopischer Ursprung mit Hilfe einer modellbasierten Studie geklärt wird. Mit Hilfe der prototypischen Testsysteme magnetischer Dimere finden wir eine neue chirale Paarwechselwirkung, die chirale biquadratische Wechselwirkung, die das biquadratische Äquivalent zur bekannten Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung ist, und untersuchen ihre Auswirkungen nicht nur auf endliche Nanostrukturen, sondern auch auf ausgedehnte Systeme. Drittens konzentrieren wir uns auf die Spin-Dynamik und die Dämpfung in nicht-kollinearen Strukturen, indem wir die Abhängigkeiten des Gilbert-Dämpfungstensors von der Nicht-Kollinearität in einer atomistischen Form mit einer Kombination aus einer modellbasierten Studie und First-Principles-Berechnungen untersuchen. Wir zeigen, wie isotrope und chirale Abhängigkeiten in einem an das Anderson Modell angelehnte Modell und in realistischen Systemen, wie magnetischen Dimeren auf der Au(111)-Oberfläche, auftreten. Diese Ergebnisse haben das Potential das Gebiet der atomistischen Spin-Dynamik zu einer ausgefeilteren Beschreibung der Dämpfungsmechanismen zu führen. Viertens untersuchen wir die magnetische Stabilität von Nanostrukturen, die eine der Schlüsselkomponenten für zukünftige Datenspeicher ist. Der Einfluss von magnetischen Austauschwechselwirkungen zwischen Nanostrukturen auf die magnetische Stabilität, wie sie in Telegraphen-Rausch-Tunnelmikroskopie-Experimenten untersucht wird, wird am Beispiel eines magnetischen Trimers und eines magnetischen Adatoms analysiert. Wir finden drei Regime, die jeweils durch eine unterschiedliche magnetische Austauschwechselwirkung hervorgerufen werden, und zeigen, wie dieses Wissen zur Verbesserung der magnetischen Stabilität genutzt werden kann. Zuletzt analysieren wir das komplexe Zusammenspiel von Magnetismus, Spin-Bahn-Kopplung und Supraleitung in magnetischen Ketten auf einem supraleitenden Substrat, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der Entstehung von Grenzzuständen liegt. Wir klären den rätselhaften magnetischen Grundzustand von Fe-Ketten auf dem Re(0001)-Substrat auf und zeigen, wie Randeffekte durch die Terminierung mit nicht-magnetischen Co-Ketten minimiert werden können. Unsere Ergebnisse liefern wichtige Hinweise auf die Art der Grenzzustände, die in den Fe-Ketten auf Re(0001) zu finden sind, und unterstützen ihre Identifizierung als Majorana-Zustände.Magnetic nanostructures on surfaces are promising building blocks of future spintronics devices, as they represent the ultimate limit in miniaturization. In this thesis, a combination of density functional theory and model-based studies is used to investigate magnetic nanostructures on surfaces with respect to fundamental theoretical properties and in relation to scanning tunneling microscopy experiments. Novel properties are unveiled in this class of systems by several methodological developments, from a new perspective on the orbital magnetism to the static and dynamic properties of complex non-collinear magnetic states. Firstly, we shed light on the orbital magnetic moment in magnetic nanostructures on surfaces and find a new component -- the inter-atomic orbital moment. A systematic analysis uncovers its distinct physical origin, its non-negligible strength, and its particular long range in realistic systems like adatoms deposited on the Pt(111) surface. Our results show unambiguously the importance and the potential of this new contribution to the orbital magnetism. Secondly, we investigate magnetic exchange interactions in magnetic nanostructures going beyond the common bilinear exchange interactions. Special focus is given to higher-order interactions whose microscopic origin is clarified using a model-based study. Using the prototypical test systems of magnetic dimers we find a new chiral pair interaction, the chiral biquadratic interaction, which is the biquadratic equivalent to the well-known Dzyaloshinskii-Moriya interaction, and investigate its properties and its implications not only for finite nanostructures but also for extended systems. Thirdly, we focus on the spin dynamics and the damping in non-collinear magnetic structures by investigating the dependencies of the Gilbert damping tensor on the non-collinearity in an atomistic form using a combination of a model-based study and first-principles calculations. We show how isotropic and chiral dependencies evolve from an Anderson-like model and in realistic systems like magnetic dimers on the Au(111) surface. These results have the potential to drive the field of atomistic spin dynamics to a more sophisticated description of the damping mechanisms. Fourthly, we investigate the magnetic stability of nanostructures, which is one of the key ingredients on the road towards future data storage devices. The impact of magnetic exchange interactions between nanostructures on the magnetic stability as probed in telegraph noise scanning tunneling microscopy experiments is analyzed by using the example of a magnetic trimer and a magnetic adatom. We find three regimes each driven by a distinct magnetic exchange interaction and show how this knowledge can be used to engineer the magnetic stability. Lastly, we analyze the complex interplay of magnetism, spin-orbit coupling and superconductivity in magnetic chains on a superconducting substrate with a special focus on the emergence of boundary states. We shed light on the puzzling magnetic ground state of Fe chains on the Re(0001) substrate and show how boundary effects can be minimized by termination with non-magnetic Co chains. Our results provide vital clues on the nature of the boundary states found in Fe chains on Re(0001), and support their identification as Majorana states.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis/Book
Format
online, print
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT020839127
Interne Identnummern
RWTH-2021-01904
Datensatz-ID: 813700
Beteiligte Länder
Germany
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