Forschung im HLRN-Verbund 2011

200Chirale Nanomagnete an OberflächenNichtkollinearer Magnetismus auf Oberflächen durch Spin-Bahn-KopplungS. Schröder, P. Ferriani, S. Heinze, Institut fürTheoretische Physik und Astrophysik, Christian-Albrechts-Universität zu KielKurzgefasst• Die Spintronik basiert auf der Idee, neben der Ladungauch den Spin des Elektrons zur Informationsdarstellungund -verarbeitung zu nutzen.• Der Spin und die Bahnbewegung des Elektronsbewirken das magnetische Moment einesAtoms, das in einem Festkörper der Austauschwechselwirkungmit seinen Nachbarn unterliegt.• Aufgrund der gebrochenen Inversionssymmetriean Oberflächen tritt die sogenannteDzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung auf, dieSpinstrukturen mit einer gewissen Händigkeit(Chiralität) bevorzugt.• Parameterfreie, quantenmechanische Rechnungenbasierend auf der Dichtefunktionaltheoriefür Festkörperoberflächen erlauben es, das Zwischenspieldieser Wechselwirkungen zu bestimmenund experimentell gefundene neue magnetischeStrukturen zu erklären.• Aufgrund der Größe der Systeme, der Nichtkollinearitätder Spinstrukturen und der hohen Genauigkeitbezüglich der Energieunterschiede verlangendiese Rechnungen den parallelen Einsatzmehrerer hundert CPUs.Im heutigen Informationszeitalter ist die Speicherungund Verarbeitung riesiger Datenmengenvon zentraler Bedeutung. Daher wird der Erforschungneuer Technologien, die beispielsweiseeine größere Speicherkapazität und höhere Lesegeschwindigkeitversprechen, besondere Aufmerksamkeitgewidmet. Ein Durchbruch auf diesemGebiet gelang 1988 mit der voneinander unabhängigenEntdeckung des Riesenmagnetowiderstandes(engl. giant magneto resistance, GMR)durch P. Grünberg und A. Fert, wofür diese 2007gemeinsam mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnetwurden. Der GMR-Effekt basiert aufder spinabhängigen Streuung von Elektronen, wodurchder elektrische Widerstand von der relativenOrientierung der Magnetisierung der magnetischenSchichten in einer Multilagenstrukturabhängt. Er findet heute Anwendung in den Leseköpfenvon Festplatten und ermöglichte den fortgesetztenexponentiellen Anstieg der Speicherkapazität.Außerdem war die Entdeckung des GMRdie Geburtsstunde der Spin(elek)tronik.Der Spin, eine intrinsische Eigenschaft des Elektronswie seine Ladung, bildet mit der Bahnbewegungdes Elektrons die Grundlage für das magnetischeMoment eines Atoms. Durch die Austauschkopplungzwischen den magnetischen Momentenbenachbarter Atome im Festkörper kannes zu der Ausbildung einer magnetischen Ordnungwie dem Ferromagnetismus, also der parallelenOrientierung der magnetischen Momente,oder komplexeren nichtkollinearen Strukturen kommen,bei denen die magnetischen Momente in beliebigenRichtungen zueinander angeordnet seinkönnen (z. B. [1]). Die Kopplung von Spin- undBahnmoment durch die sogenannte Spin-Bahn-Kopplung führt zu einer Ausrichtung der magnetischenMomente relativ zu den Kristallachsen.Falls der Festkörper keine Inversionssymmetrieaufweist, kann diese Kopplung auch eine Verkippungder magnetischen Momente der Atome zueinanderbewirken und führt zu Spinstrukturen miteiner gewissen Händigkeit. Dieser Effekt wurde bereitsvor 50 Jahren von I. Dzyaloshinskii und T.Moriya zur Erklärung des schwachen Ferromagnetismusin antiferromagnetischen Materialien vorgeschlagen.Während die Kristallstruktur elementarer Metalleinversionssymmetrisch ist, wird diese Symmetriean jeder Ober- oder Grenzfläche gebrochen unddie Dzyaloshinskii-Moriya-(DM)-Wechselwirkungkann immer auftreten. Erstaunlicherweise wurdejedoch erst 2007 mittels der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie(RTM), die eine Abbildungmagnetischer Strukturen auf der atomaren Skalaerlaubt, entdeckt, dass diese Wechselwirkungtatsächlich an Oberflächen sehr stark ist und chiraleSpinspiralstrukturen hervorruft [2].Bei nanostrukturierten Festkörperoberflächenhandelt es sich um Vielelektronensysteme, derentheoretische Beschreibung ausgehend vonder Quantenmechanik eine gewaltige Herausforderungist. Ein mächtiges Verfahren dazu stellt dieDichtefunktionaltheorie dar, auf deren Grundlageeine Vielzahl von Methoden für unterschiedlicheAnwendungen entwickelt worden sind. Für unserProjekt ist eine sehr hohe Genauigkeit bei der Berechnungder Energiedifferenz zwischen verschiedenennichtkollinearen magnetischen Strukturenunter Berücksichtigung der Spin-Bahn-Kopplungnötig, die nur wenige Methoden wie z. B. die vonuns verwendete ’Full-Potential Linearized AugmentedPlane Wave’-(FLAPW)-Methode leisten.Seit der Entdeckung der dramatischen Konsequenzender DM-Wechselwirkung in Nanostruk-Physik