Theoretical study of magnetism, structure and chemical order in transition-metal alloy clusters

Research on transition-metal nanoalloy clusters composed of a few atoms is fascinating by their unusual properties due to the interplay among the structure, chemical order and magnetism. Such nanoalloy clusters, can be used to construct nanometer devices for technological applications by manipulating their remarkable magnetic, chemical and optical properties. Determining the nanoscopic features exhibited by the magnetic alloy clusters signifies the need for a systematic global and local exploration of their potential-energy surface in order to identify all the relevant energetically low-lying magnetic isomers. In this thesis the sampling of the potential-energy surface has been performed by employing the state-of-the-art spin-polarized density-functional theory in combination with graph theory and the basin-hopping global optimization techniques. This combination is vital for a quantitative analysis of the quantum mechanical energetics. The first approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the graph theory method, is applied to study the Fe$_m$Rh$_n$ and Co$_m$Pd$_n$ clusters having $N = m+n \leq 8$ atoms. We carried out a thorough and systematic sampling of the potential-energy surface by taking into account all possible initial cluster topologies, all different distributions of the two kinds of atoms within the cluster, the entire concentration range between the pure limits, and different initial magnetic configurations such as ferro- and anti-ferromagnetic coupling. The remarkable magnetic properties shown by FeRh and CoPd nanoclusters are attributed to the extremely reduced coordination number together with the charge transfer from 3$d$ to 4$d$ elements. The second approach, i.e., spin-polarized density-functional theory together with the basin-hopping method is applied to study the small Fe$_6$, Fe$_3$Rh$_3$ and Rh$_6$ and the larger Fe$_{13}$, Fe$_6$Rh$_7$ and Rh$_{13}$ clusters as illustrative benchmark systems. This method is able to identify the true ground-state structures of Fe$_6$ and Fe$_3$Rh$_3$ which were not obtained by using the first approach. However, both approaches predict a similar cluster for the ground-state of Rh$_6$. Moreover, the computational time taken by this approach is found to be significantly lower than the first approach. The ground-state structure of Fe$_{13}$ cluster is found to be an icosahedral structure, whereas Rh$_{13}$ and Fe$_6$Rh$_7$ isomers relax into cage-like and layered-like structures, respectively. All the clusters display a remarkable variety of structural and magnetic behaviors. It is observed that the isomers having similar shape with small distortion with respect to each other can exhibit quite different magnetic moments. This has been interpreted as a probable artifact of spin-rotational symmetry breaking introduced by the spin-polarized GGA. The possibility of combining the spin-polarized density-functional theory with some other global optimization techniques such as minima-hopping method could be the next step in this direction. This combination is expected to be an ideal sampling approach having the advantage of avoiding efficiently the search over irrelevant regions of the potential energy surface.

First-principles electronic theory of non-collinear magnetic order in transition-metal nanowires

The structural, electronic and magnetic properties of one-dimensional 3d transition-metal (TM) monoatomic chains having linear, zigzag and ladder geometries are investigated in the frame-work of first-principles density-functional theory. The stability of long-range magnetic order along the nanowires is determined by computing the corresponding frozen-magnon dispersion relations as a function of the 'spin-wave' vector q. First, we show that the ground-state magnetic orders of V, Mn and Fe linear chains at the equilibrium interatomic distances are non-collinear (NC) spin-density waves (SDWs) with characteristic equilibrium wave vectors q that depend on the composition and interatomic distance. The electronic and magnetic properties of these novel spin-spiral structures are discussed from a local perspective by analyzing the spin-polarized electronic densities of states, the local magnetic moments and the spin-density distributions for representative values q. Second, we investigate the stability of NC spin arrangements in Fe zigzag chains and ladders. We find that the non-collinear SDWs are remarkably stable in the biatomic chains (square ladder), whereas ferromagnetic order (q =0) dominates in zigzag chains (triangular ladders). The different magnetic structures are interpreted in terms of the corresponding effective exchange interactions J(ij) between the local magnetic moments μ(i) and μ(j) at atoms i and j. The effective couplings are derived by fitting a classical Heisenberg model to the ab initio magnon dispersion relations. In addition they are analyzed in the framework of general magnetic phase diagrams having arbitrary first, second, and third nearest-neighbor (NN) interactions J(ij). The effect of external electric fields (EFs) on the stability of NC magnetic order has been quantified for representative monoatomic free-standing and deposited chains. We find that an external EF, which is applied perpendicular to the chains, favors non-collinear order in V chains, whereas it stabilizes the ferromagnetic (FM) order in Fe chains. Moreover, our calculations reveal a change in the magnetic order of V chains deposited on the Cu(110) surface in the presence of external EFs. In this case the NC spiral order, which was unstable in the absence of EF, becomes the most favorable one when perpendicular fields of the order of 0.1 V/Å are applied. As a final application of the theory we study the magnetic interactions within monoatomic TM chains deposited on graphene sheets. One observes that even weak chain substrate hybridizations can modify the magnetic order. Mn and Fe chains show incommensurable NC spin configurations. Remarkably, V chains show a transition from a spiral magnetic order in the freestanding geometry to FM order when they are deposited on a graphene sheet. Some TM-terminated zigzag graphene-nanoribbons, for example V and Fe terminated nanoribbons, also show NC spin configurations. Finally, the magnetic anisotropy energies (MAEs) of TM chains on graphene are investigated. It is shown that Co and Fe chains exhibit significant MAEs and orbital magnetic moments with in-plane easy magnetization axis. The remarkable changes in the magnetic properties of chains on graphene are correlated to charge transfers from the TMs to NN carbon atoms. Goals and limitations of this study and the resulting perspectives of future investigations are discussed.

Entwicklung eines ökonomisch ausgerichteten Zuchtprogramms für die bedrohte Schweinerasse „Bunte Bentheimer“

Das Ziel dieser Arbeit war, ein ökonomisch ausgerichtetes Zuchtprogramm für die bedrohte Schweinerasse „Bunte Bentheimer“ (BB) zu entwickeln. Ein wesentlicher Bestandteil von Zuchtprogrammen für bedrohte Rassen ist der Erhalt der genetischen Diversität durch Vermeidung von weiterer Inzucht und Reduzierung des Inzuchtzuwachses. In Kapitel 2 wurde die Population der BB unter Berücksichtigung der vorhandenen Abstammungsinformationen in Bezug auf genetische Diversität, Inzucht und Verwandtschaft analysiert. Durchschnittlicher Inzuchtkoeffizient und Inzuchtzunahme lagen mit 12% und 1,66% pro Generation auf einem relativ hohen Niveau. Effektive Maßnahmen zur Inzuchtkontrolle sollten daher im Zuchtprogramm integriert werden. Durch die Bestimmung optimaler Einsatzfrequenzen selektierter Tiere ist es möglich, Inzucht zu kontrollieren und gleichzeitig Zuchtfortschritt zu generieren. Das konnte am Beispiel von Zuchtwerten für Fruchtbarkeitsmerkmale gezeigt werden. Basierend auf den optimalen Einsatzfrequenzen der selektierten Elterntiere wurden zur weiteren Reduzierung der Inzucht in der Folgegeneration konkrete Anpaarungspläne erstellt. Die Anpaarungen wurden unter Berücksichtigung der Natursprungproblematik durch Festlegung von Zuchtgebieten konzipiert. Die Umsetzung dieser wurde allerdings erschwert durch die eingeschränkte Verfügbarkeit der Eber. Schließt man die künstliche Besamung als mögliche Alternative aus, müssten die Zuchtgebiete so optimiert werden, dass die vorgeschlagenen Anpaarungen auch in die Praxis umgesetzt werden können. Die Gestaltung eines Zuchtprogramms erfordert zudem die Verfügbarkeit populationsgenetischer Parameter. Für die Fruchtbarkeitsmerkmale „Anzahl lebend geborener Ferkel“ (NBA) und „abgesetzter Ferkel“ (NW) lagen die Heritabilitäten bei jeweils 12%. Auch die genetischen Varianzen lagen in einem guten Bereich, so dass für beide Merkmale Zuchtfortschritt durch Selektion möglich ist. In Kapitel 3 wurden genetische Parameter für Fleischleistungs- und Fleischqualitätsmerkmale geschätzt. Als Grundlage dafür dienten sowohl in vivo Ultraschallmessungen am lebenden Tier, als auch Messungen, die am Schlachtkörper bzw. an einer Fleischprobe erfolgten. Zucht-, Mast- und Schlachttiere wurden am RYR1 Genort typisiert, um Allel-Substitutionseffekte zu schätzen. Die quantitativen- und molekulargenetischen Ansätze wurden genutzt, um darauf aufbauend zur Verbesserung der Fleischqualität Zuchtstrategien zu entwickeln. Für das Fleischqualitätsmerkmal intramuskulärer Fettgehalt (IMF) wurde die höchste Heritabilität von 0,78 bei einer ebenfalls hohen additiv-genetischen Varianz geschätzt. Dennoch ist die Erfassung dieses Merkmals mit einem hohen Kostenaufwand verbunden. Ein mögliches Hilfsmerkmal ist die Rückenspeckdicke (BFiv), die direkt am Selektionskandidaten erfasst werden kann. Die genetische Korrelation zwischen beiden Merkmale lag bei rg = 0,39. Die Assoziationsstudie am RYR1 Genort zeigte, dass die Anwesenheit des ungewünschten Allels einen negativen Effekt auf IMF hatte, d.h. der IMF Gehalt wurde reduziert. Darauf aufbauend wurde eine Zuchtstrategie entwickelt, die Phänotyp (BFiv) und Marker-Informationen am RYR1 Genort des Selektionskandidaten kombiniert. Durch die zusätzliche Berücksichtigung der Marker-Informationen konnten eine höhere Genauigkeit und ein höherer Zuchtfortschritt erzielt werden im Vergleich zu einer Strategie, die nur auf den phänotypischen Leistungen basiert. In Kapitel 4 wurde basierend auf einer Konsumentenbefragung mit integrierter Verkostung von Fleischproben indirekt die Zahlungsbereitschaft für unterschiedliche Fleischqualitäten erfasst. Alle Fleischproben wurden zusätzlich hinsichtlich der instrumental erfassbaren Fleischqualität untersucht und durch ein geschultes Panel im Sensorik Labor in Bezug auf die sensorische Qualität beurteilt. Außerdem wurde die direkte Zahlungsbereitschaft für unterschiedliche Qualitätsausprägungen der optischen Merkmale „Fleischfarbe“, „Fleischmarmorierung“ und „Fleischsaftverlust“ anhand von Fotografien erfasst. Die Ergebnisse dieser Befragung wurden genutzt, um ökonomischen Gewichte abzuleiten. Für IMF ergab sich ein hohes ökonomisches Gewicht von 57,52 € pro Merkmalseinheit bei dem aktuellen Populationsdurchschnitt von 1,57%. Mit steigendem Populationsmittel sinkt das ökonomische Gewicht und nähert sich ab einem Mittelwert von 2% einem Wert von 0,00 €. Aus züchterischer Sicht wäre daher ein durchschnittlicher IMF Gehalt von mindestens 2% anzustreben. Für Fleischqualitätsmerkmale, die beim Verzehr nicht direkt erfassbar sind, wie die Farbhelligkeit oder der Tropfsaftverlust, ist die direkte Methode zur Erfassung der Zahlungsbereitschaft (basierend auf den Fotografien) der indirekten (basierend auf der Verkostung) vorzuziehen, um ökonomische Gewichte abzuleiten. Genetische Parameter ökonomischen Gewichte wurden anschließend für Zuchtplanungsrechnungen verwendet. Im Zuchtziel wurde in erster Linie die Fruchtbarkeit (NBA) und Fleischqualität (IMF) berücksichtigt. Zur Vermeidung hoher Kosten und der besseren Anpassung an kleine Betriebsstrukturen wurde u.a. ein Zuchtprogramm modelliert, das auf in vivo Ultraschallmessungen für BFiv basiert, direkt erfasst am Selektionskandidaten. Der Züchtungsgewinn für diese Zuchtstrategie lag bei 35,92 € pro Tier. Der Zuchtfortschritt für IMF war allerdings erwartungsgemäß geringer als bei direkter Selektion auf das Merkmal. Basierend auf den Ergebnissen wurde in Kapitel 5 ein Entwurf für ein Zuchtprogramm erstellt, das die notwendigen Maßnahmen zur Inzuchtkontrolle beinhaltet und Zuchtfortschritt für rassespezifische Merkmale zulässt. Zudem ist dieser Entwurf angepasst an die kleinen Betriebsstrukturen und die unterschiedlichen Vermarktungsstrategien, die sich bereits etabliert haben.