Spin polarised Heusler compounds

In der vorliegenden Dissertation dient ein einfaches Konzept zur Systematisierung der Suche nach neuen Materialien mit hoher Spinpolarisation. Dieses Konzept basiert auf zwei semi-empirischen Modellen. Zum einen kann die Slater-Pauling Regel zur Abschätzung magnetischer Momente verwendet werden. Dieses Modell wird dabei durch Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Das zweites Modell kann insbesondere für die Co2YZ Heusler Verbindungen beim Vergleich ihrer magnetischen Eigenschaften gefunden werden. Für diese Verbindungen ergibt sich eine scheinbare lineare Abhängigkeit der Curie-Temperatur beim Auftragen als Funktion des magnetischen Momentes. Angeregt durch diese Modelle wurde die Heusler Verbindung Co2FeSi nochmals detailliert im Hinblick auf ihre geometrische und magnetische Struktur hin untersucht. Als Methoden dienten dabei die Pulver-Röntgenbeugung, die EXAFS Spektroskopie, Röntgen Absorptions- and Mößbauer Spektroskopie sowie Hoch- und Tieftemperatur Magnetometrie, XMCD and DSC. Die Messungen zeigten, dass es sich bei Co2FeSi um das Material mit dem höchsten magnetischen Moment (6 B) und der höchsten Curie Temperatur (1100 K) sowohl in der Klasse der Heusler Verbindungen als auch in der Klasse der halbmetallischen Ferromagnete handelt. Zusätzlich werden alle experimentellen Ergebnisse durch detaillierte Rechnungen zur elektronischen Struktur unterstützt. Die gleichen Konzepte wurden verwendet, um die Eigenschaften der Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl vorherzusagen. Die elektronische Struktur und die spektroskopischen Eigenschaften wurden mit der voll-relativistischen Korringa-Kohn-Rostocker Methode berechnet, unter Verwendung kohärenter Potentialnäherungen um der zufälligen Verteilung von Cr und Fe Atomen sowie zufälliger Unordnung Rechnung zu tragen. Magnetische Effekte wurden durch die Verwendung Spin-abhängiger Potentiale im Rahmen der lokalen Spin-Dichte-Näherung mit eingeschlossen. Die strukturellen und chemischen Eigenschaften der quaternären Heusler Verbindung Co2Cr1-xFexAl wurden an Pulver und Bulkproben gemessen. Die Fernordnung wurde mit der Pulver Röntgenbeugung und Neutronenbeugung untersucht, während die Nahordnung mit der EXAFS Spektroskopie aufgeklärt wurde. Die magnetische Struktur von Pulver und Bulkproben wurde mitttels 57Fe-Mößbauer Spektroskopie gemessen. Die chemische Zusammensetzung wurde durch XPS analysiert. Die Ergebnisse dieser Methoden wurden verglichen, um eine Einsicht in die Unterschiede zwischen Oberflächen und Volumeneigenschaften zu erlangen sowie in das Auftreten von Fehlordnung in solchen Verbindungen. Zusätzlich wurde XMCD an den L3,2 Kanten von Co, Fe, and Cr gemessen, um die elementspezifischen magnetischen Momente zu bestimmen. Rechnungen und Messungen zeigen dabei eine Zunahme des magnetischen Momentes bei steigendem Fe-Anteil. Resonante Photoemission mit weicher Röntgenstrahlung sowie Hochenergie Photoemission mit harter Röntgenstrahlung wurden verwendet, um die Zustandsdichte der besetzten Zustände in Co2Cr0.6Fe0.4Al zu untersuchen. Diese Arbeit stellt außerdem eine weitere, neue Verbindung aus der Klasse der Heusler Verbindungen vor. Co2CrIn ist L21 geordnet, wie Messungen mittels Pulver Röntgenbeugung zeigen. Die magnetischen Eigenschaften wurden mit magnetometrisch bestimmt. Co2CrIn ist weichmagnetisch mit einer Sättigungsmagnetisierung von 1.2B bei 5 K. Im Gegensatz zu den bereits oben erwähnten Co2YZ Heusler Verbindungen ist Co2CrIn kein halbmetallischer Ferromagnet. Im Rahmen dieser Arbeit wird weiterhin eine Regel zur Vorhersage von halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagneten in der Klasse der Heusler Verbindungen vorgestellt. Dieses Konzept resultiert aus der Kombination der Slater-Pauling Regel mit der Kübler-Regel. Die Kübler Regel besagt, dass Mn auf der Y Position zu einem hoch lokalisierten magnetischen Moment tendiert. Unter Verwendung dieses neuen Konzeptes werden für einige Kandidaten in der Klasse der Heusler Verbindungen die Eigenschaft des halbmetallischen komplett kompensierten Ferrimagnetismus vorhergesagt. Die Anwendung dieses Konzeptes wird anhand von Rechnungen zur elektronischen Struktur bestätigt.

Effect of mechanical milling on the structural, magnetic and dielectric properties of coprecipitated ultrafine zinc ferrite

Nanosized ZnFe2O4 particles containing traces of a-Fe2O3 by intent were produced by low temperature chemical coprecipitation methods. These particles were subjected to high-energy ball milling. These were then characterised using X-ray diffraction, magnetisation and dielectric studies. The effect of milling on zinc ferrite particles have been studied with a view to ascertaining the anomalous behaviour of these materials in the nanoregime. X-ray diffraction and magnetisation studies carried out show that these particles are associated with strains and it is the surface effects that contribute to the magnetisation. Hematite percentage, probably due to decomposition of zinc ferrite, increases with milling. Dielectric behaviour of these particles is due to interfacial polarisation as proposed by Koops. Also the defects caused by the milling produce traps in the surface layer contributes to dielectric permittivity via spin polarised electron tunnelling between grains. The ionic mechanism is enhanced in dielectrics with the rise in temperature which results in the increase of dielectric permittivity with temperature.

Electronic, structural, and transport properties of Ni-doped graphene nanoribbons

We have investigated the electronic and transport properties of zigzag Ni-adsorbed graphene nanoribbons (Ni/GNRs) using ab initio calculations. We find that the Ni adatoms lying along the edge of zigzag GNRs represent the energetically most stable configuration, with an energy difference of approximately 0.3 eV when compared to the adsorption in the middle of the ribbon. The carbon atoms at the ribbon edges still present nonzero magnetic moments as in the pristine GNR even though there is a quenching by a factor of almost five in the value of the local magnetic moments at the C atoms bonded to the Ni. This quenching decays relatively fast and at approximately 9 A from the Ni adsorption site the magnetic moments have already values close to the pristine ribbon. At the opposite edge and at the central carbon atoms the changes in the magnetic moments are negligible. The energetic preference for the antiparallel alignment between the magnetization at the opposite edges of the ribbon is still maintained upon Ni adsorption. We find many Ni d-related states within an energy window of 1 eV above and below the Fermi energy, which gives rise to a spin-dependent charge transport. These results suggest the possibility of manufacturing spin devices based on GNRs doped with Ni atoms.

Transition metal clusters on graphite

The topic of this work is 3d transition metals deposited on graphite. Spin-polarised density-functional calculations are used to obtain the magnetic moments of deposited adatoms and dimers. Interatomic potentials are also deduced. These are used in molecular dynamics simulations to study cluster formation and to investigate cluster morphology.

Time evolution of the Wigner function in discrete quantum phase space for a soluble quasi-spin model

The discrete phase space approach to quantum mechanics of degrees of freedom without classical counterparts is applied to the many-fermions/quasi-spin Lipkin model. The Wi:ner function is written for some chosen states associated to discrete angle and angular momentum variables, and the rime evolution is numerically calculated using the discrete von Neumnnn-Liouville equation. Direct evidences in the lime evolution of the Wigner function are extracted that identify a tunnelling effect. A connection with a SU(2)-based semiclassical continuous approach to the Lipkin model is also presented.

First doubly polarised photoproduction on 3 He at the photon beam of MAMI

Im Juli 2009 wurde am Mainzer Mikrotron (MAMI) erstmal ein Experiment durchgeführt, bei dem ein polarisiertes 3He Target mit Photonen im Energiebereich von 200 bis 800 MeV untersucht wurde. Das Ziel dieses Experiments war die Überprüfung der Gerasimov-Drell-Hearn Summenregel am Neutron. Die Verwendung der Messdaten welche mit dem polarisierten 3He Target gewonnen wurden, geben - im Vergleich mit den bereits existieren Daten vom Deuteron - aufgrund der Spin-Struktur des 3He einen komplementären und direkteren Zugang zum Neutron. Die Messung des totalen helizitätsabhängigen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts wurde mittels eines energiemarkierten Strahls von zirkular polarisierten Photonen, welcher auf das longitudinal polarisierte 3He Target trifft, durchgeführt. Als Produktdetektoren kamen der Crystal Ball (4π Raumabdeckung), TAPS (als ”Vorwärtswand”) sowie ein Schwellen-Cherenkov-Detektor (online Veto zur Reduktion von elektromagnetischen Ereignissen) zum Einsatz. Planung und Aufbau der verschiedenen komponenten Teile des 3He Experimentaufbaus war ein entscheidender Teil dieser Dissertation und wird detailliert in der vorliegenden Arbeit beschrieben. Das Detektorsystem als auch die Analyse-Methoden wurden durch die Messung des unpolarisierten, totalen und inklusiven Photoabsoprtions-Wirkungsquerschnitts an flüssigem Wasserstoff getestet. Hierbei zeigten die Ergebnisse eine gute Übereinstimmung mit bereits zuvor publizierten Daten. Vorläufige Ergebnisse des unpolarisierten totalen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitts sowie der helizitätsabhängige Unterschied zwischen Photoabsorptions-Wirkungsquerschnitten an 3He im Vergleich zu verschiedenen theoretischen Modellen werden vorgestellt.

Imaging of spin waves in atomically designed nanomagnets

The spin dynamics of all ferromagnetic materials are governed by two types of collective phenomenon: spin waves and domain walls. The fundamental processes underlying these collective modes, such as exchange interactions and magnetic anisotropy, all originate at the atomic scale. However, conventional probing techniques based on neutron1 and photon scattering2 provide high resolution in reciprocal space, and thereby poor spatial resolution. Here we present direct imaging of standing spin waves in individual chains of ferromagnetically coupled S = 2 Fe atoms, assembled one by one on a Cu2N surface using a scanning tunnelling microscope. We are able to map the spin dynamics of these designer nanomagnets with atomic resolution in two complementary ways. First, atom-to-atom variations of the amplitude of the quantized spin-wave excitations are probed using inelastic electron tunnelling spectroscopy. Second, we observe slow stochastic switching between two opposite magnetization states3, 4, whose rate varies strongly depending on the location of the tip along the chain. Our observations, combined with model calculations, reveal that switches of the chain are initiated by a spin-wave excited state that has its antinodes at the edges of the chain, followed by a domain wall shifting through the chain from one end to the other. This approach opens the way towards atomic-scale imaging of other types of spin excitation, such as spinon pairs and fractional end-states5, 6, in engineered spin chains.

Enhanced spin injection efficiency in ferromagnet/semiconductor tunnel junctions

Within the ballistic transport picture, we have investigated the spin-polarized transport properties of a ferromagnetic metal/two-dimensional semiconductor (FM/SM) hybrid junction and an FM/FM/SM structure using quantum tunnelling theory. Our calculations indicate explicitly that the low spin injection efficiency (SIE) from an FM into an SM, compared with a ferromagnet/normal metal junction, originates from the mismatch of electron densities in the FM and SM. To enhance the SIE from an FM into an SM, we introduce another FM film between them to form FM/FM/SM double tunnel junctions, in which the quantum interference effect will lead to the current polarization exhibiting periodically oscillating behaviour, with a variation according to the thickness of the middle FM film and/or its exchange energy strength. Our results show that, for some suitable values of these parameters, the SIE can reach a very high level, which can also be affected by the electron density in the SM electrode.

Spin-charge conductance in nanoscale electronic devices

We introduce a spin-charge conductance matrix as a unifying concept underlying charge and spin transport within the framework of the Landauer-Buttiker conductance formula. It turns out that the spin-charge conductance matrix provides a natural and gauge covariant description for electron transport through nanoscale electronic devices. We demonstrate that the charge and spin conductances are gauge invariant observables which characterize transport phenomena arising from spin-dependent scattering. Tunnelling through a single magnetic atom is discussed to illustrate our theory.

Extreme Harmonic Generation In Electrically Driven Spin Resonance.

We report the observation of multiple harmonic generation in electric dipole spin resonance in an InAs nanowire double quantum dot. The harmonics display a remarkable detuning dependence: near the interdot charge transition as many as eight harmonics are observed, while at large detunings we only observe the fundamental spin resonance condition. The detuning dependence indicates that the observed harmonics may be due to Landau-Zener transition dynamics at anticrossings in the energy level spectrum.

Measurement Of Longitudinal Spin Asymmetries For Weak Boson Production In Polarized Proton-proton Collisions At Rhic.

We report measurements of single- and double-spin asymmetries for W^{±} and Z/γ^{*} boson production in longitudinally polarized p+p collisions at sqrt[s]=510  GeV by the STAR experiment at RHIC. The asymmetries for W^{±} were measured as a function of the decay lepton pseudorapidity, which provides a theoretically clean probe of the proton's polarized quark distributions at the scale of the W mass. The results are compared to theoretical predictions, constrained by polarized deep inelastic scattering measurements, and show a preference for a sizable, positive up antiquark polarization in the range 0.05

Site Specific Spin Dynamics In Bafe2as2: Tuning The Ground State By Orbital Differentiation.

The role of orbital differentiation on the emergence of superconductivity in the Fe-based superconductors remains an open question to the scientific community. In this investigation, we employ a suitable microscopic spin probe technique, namely Electron Spin Resonance (ESR), to investigate this issue on selected chemically substituted BaFe2As2 single crystals. As the spin-density wave (SDW) phase is suppressed, we observe a clear increase of the Fe 3d bands anisotropy along with their localization at the FeAs plane. Such an increase of the planar orbital content is interestingly independent of the chemical substitution responsible for suppressing the SDW phase. As a consequence, the magnetic fluctuations in combination with this particular symmetry of the Fe 3d bands are propitious ingredients for the emergence of superconductivity in this class of materials.

Anomalous thermodynamic properties in ferropericlase throughout its spin crossover transition

The thermodynamics properties of ferropericlase (Mg(1-x)Fe(x)O where x=0.1875) (Fp) throughout its spin crossover were investigated by first principles. Fp was treated as an ideal solid solution of pure high-spin and low-spin states. The Gibbs free energies of the pure states were addressed using the LDA+U method. A vibrational virtual-crystal model was developed to address the vibrational properties of the pure spin cases and used in conjunction with quasiharmonic theory to compute their vibrational free energies. The thermodynamics properties of Fp display significant anomalies that should be typical of spin crossover systems in general. In Fp, in particular, they are fundamental for understanding the state of earth's interior, where the pressure and temperature conditions of the crossover are realized.

Forward Neutral-Pion Transverse Single-Spin Asymmetries in p plus p Collisions at s=200 GeV

We report precision measurements of the Feynman x (x(F)) dependence, and first measurements of the transverse momentum (p(T)) dependence, of transverse single-spin asymmetries for the production of pi(0) mesons from polarized proton collisions at s=200 GeV. The x(F) dependence of the results is in fair agreement with perturbative QCD model calculations that identify orbital motion of quarks and gluons within the proton as the origin of the spin effects. Results for the p(T) dependence at fixed x(F) are not consistent with these same perturbative QCD-based calculations.