Spin polarized neutron matter and magnetic susceptibility within the Brueckner-Hartree-Fock approximation

The Brueckner-Hartree-Fock formalism is applied to study spin polarized neutron matter properties. Results of the total energy per particle as a function of the spin polarization and density are presented for two modern realistic nucleon-nucleon interactions, Nijmegen II and Reid93. We find that the dependence of the energy on the spin polarization is practically parabolic in the full range of polarizations. The magnetic susceptibility of the system is computed. Our results show no indication of a ferromagnetic transition which becomes even more difficult as the density increases.

Antihyperon polarization in high-energy inclusive processes

We propose a model for the antihyperon polarization in high-energy proton-nucleus inclusive reactions, based on the final-state interactions between the antihyperons and other produced particles (predominantly pions). To formulate this idea, we use the previously obtained low-energy pion-(anti-)hyperon interaction using effective chiral Lagrangians, and a hydrodynamic parametrization of the background matter, which expands and decouples at a certain freezeout temperature.

sigma- and pi-defects at graphene nanoribbon edges: Building spin filters

The presence of certain kinds of defects at the edges of monohydrogenated zigzag graphene nanoribbons changes dramatically the charge transport properties inducing a spin-polarized conductance. Using an approach based on density functional theory and nonequilibrium Green`s function formalism to calculate the transmittance, we classify the defects in different classes depending on their distinct transport properties: (i) sigma-defects, which do not affect the transmittance close to the Fermi energy (E(F)); and (ii) pi-defects, which cause a spin polarization of the transmittance and that can be further divided into either electron or hole defects if the spin transport polarization results in larger transmittance for the up or down spin channel, respectively.

Spin accumulation encoded in electronic noise for mesoscopic billiards with finite tunneling rates

We study the effects of spin accumulation (inside reservoirs) on electronic transport with tunneling and reflections at the gates of a quantum dot. Within the stub model, the calculations focus on the current-current correlation function for the flux of electrons injected into the quantum dot. The linear response theory used allows us to obtain the noise power in the regime of thermal crossover as a function of parameters that reveal the spin polarization at the reservoirs. The calculation is performed employing diagrammatic integration within the universal groups (ensembles of Dyson) for a nonideal, nonequilibrium chaotic quantum dot. We show that changes in the spin distribution determine significant alterations in noise behavior at values of the tunneling rates close to zero, in the regime of strong reflection at the gates.

Spin polarized transport in manganese oxide double-perovskite thin films

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung von metallischen gemischtvalenten Manganaten und magnetischen Doppelperowskiten. Aufgrund ihres großen negativen Magnetowiderstandes (MW) sind diese halbmetallischen Oxide interessant für mögliche technische Anwendungen, z.B. als Leseköpfe in Festplatten. Es wurden die kristallographischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von epitaktischen Dünnschichten und polykristallinen Pulverproben bestimmt.Epitaktische Dünnschichten der Verbindungen La_0.67Ca_0.33MnO₃ und La_0.67Sr_0.33MnO₃ wurdenmit Kaltkathodenzerstäubung und Laserablation auf einkristallinen Substraten wie SrTiO₃abgeschieden. Mit Hall-Effekt Messungen wurde ein Zusammenbruch der Ladungsträgerdichte bei der Curie-Temperatur T_C beobachtet.Mit dem Wechsel des Dotierungsatoms A von Ca (T_C=232 K) zu Sr (T_C=345 K)in La_0.67A_0.33MnO₃ konnte die Feldsensitivität des Widerstandes bei Raumtemperatur gesteigert werden. Um die Sensitivität weiter zu erhöhen wurde die hohe Spinpolarisation von nahezu 100% in Tunnelexperimenten ausgenutzt. Dazu wurden biepitaktische La_0.67Ca_0.33MnO₃ Schichten auf SrTiO₃ Bikristallsubstraten hergestellt. Die Abhängigkeit des Tunnelmagnetowiderstandes (TMW) vom magnetischen Feld, Temperatur und Strum war ein Schwerpunkt der Untersuchung. Mittels spinpolarisierten Tunnelns durch die künstliche Korngrenze konnte ein hysteretischer TMW von 70% bei 4 K in kleinen Magnetfeldern von 120 Oe gemessen werden. Eine weitere magnetische Oxidverbindung, der Doppelperowskit Sr₂FeMoO₆ miteine Curie-Temperatur oberhalb 400 K und einem großen MW wurde mittels Laserablation hergestellt. Die Proben zeigten erstmals das Sättigunsmoment, welches von einer idealen ferrimagnetischen Anordnung der Fe und Mo Ionen erwartet wird. Mit Hilfe von Magnetotransportmessungen und Röntgendiffraktometrie konnte eine Abhängigkeit zwischen Kristallstruktur (Ordnung oder Unordnung im Fe, Mo Untergitter) und elektronischem Transport (metallisch oder halbleitend) aufgedeckt werden.Eine zweiter Doppelperowskit Ca₂FeReO₆ wurde im Detail als Pulverprobe untersucht. Diese Verbindung besitzt die höchste Curie-Temperatur von 540 K, die bis jetzt in magnetischen Perowskiten gefunden wurde. Mit Neutronenstreuung wurde eine verzerrte monoklinische Struktur und eine Phasenseparation aufgedeckt.

Magnetische Wechselwirkung Spin-Austauschgekoppelter Systeme mit Nitroxid und Nitronyl-Nitroxid Radikalen

Bei der Untersuchung molekularer magnetischer Materialien spielen Metall-Radikal Verbindungen eine bedeutende Rolle. Ein Forschungsschwerpunkt stützt sich auf die Familie der Nitronyl-Nitroxid (NIT) Radikale, die sich durch eine hohe chemische Stabilität auszeichnen. Im sogenannten „Metall-Radikal Ansatz“ wurden die starken Austauschwechselwirkungen zwischen stabilen Radikalen und Übergangsmetallionen in mehrdimensionalen Netzwerken ausgiebig untersucht. Um diese Netzwerke mit NIT Radikalen aufzubauen, müssen zusätzliche funktionelle Gruppen, mit einem Abstand zur spintragenden Einheit, in das Molekül eingebaut werden. Dies kann zu einer zusätzlichen schwachen Spinaustauschwechselwirkung führen. Um diese Wechselwirkung zwischen Metalldimeren mit einem einzelnen Benzoat annalogen NIT-Radikal zu untersuchen, wurden dimere Mangan(II), Kobalt(II) und Zink(II) Komplexe mit dem Chelatliganden N,N,N',N'-Tetrakis(2-benzimid-azolylalkyl)-2-hydroxy-1,3-diamino-propan synthetisiert und zusätzlich über eine periphere Carboxylat Gruppe eines NIT Radikals verbrückt.rnDie Messungen der magnetischen Suszeptibilität weisen auf eine dominante antiferromagnetische Wechselwirkung in der Metall-Radikal Verbindung hin, bei der es sich um die Spin-Austauschwechselwirkung innerhalb des Metalldimers handelt. Durch den Vergleich mit analogen Nitrobenzoat- verbrückten Mangan(II) und Kobalt(II) Verbindungen konnte gezeigt werden, dass keine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachtet wird, obwohl eine Wechselwirkung der pi*-orbitale mit den delokalisierten pi-System des Phenylrings durch Spin-Polarisation grundsätzlich möglich ist. Auch ESR - Messungen bestätigen dies, da der Spingrundzustand das anisotrope Signal des freien NIT Radikals aufweist. Das Radikal verhält sich somit wie ein isoliertes S=1/2 Spin-Zentrum, was zusätzlich durch DFT-Rechnungen bekräftigt werden konnte. Zusammenfassend führt also die Koordination eines NIT-Benzoats an ein antiferromagnetisch gekoppeltes Metalldimer nur zur Anhebung des Spingrundzustandes und hat keinen signifikanten Effekt auf die Austauschwechselwirkung. Um trotzdem eine Metall-Radikal Wechselwirkung beobachten zu können, ist es notwendig Koordinationsverbindungen zu synthetisieren in denen hohe Spingrundzustände besetzt werden. Dies trifft auf das analoge Kupferdimer zu, wofür eine ferromagnetische Wechselwirkung zu beobachten ist.rnNach den Regeln der Spin-Polarisation müsste die Verkürzung des Austauschpfades um eine Bindung zu einer Umkehrung des Vorzeichens der magnetischen Wechselwirkung führen. Diese Verkürzung kann man durch die Verwendung des alternativen stabilen NOA-Radikals (tert-Butyl Nitroxid) erreichen. Sowohl das NIT als auch das NOA-Radikal werden an ein Kupfer(II)-dimer koordiniert, das durch die Verwendung des oben erwähnten N6O-Liganden gebildet wurde. In der Modellverbindung, ohne einen paramagnetischen Substituenten am Benzoat, zeigen die Kupferionen eine ferromagnetische Wechselwirkung mit einem Triplett Grundzustand, dessen Existenz durch die Messung der magnetischen Suszeptibilität und ESR-Spektroskopie belegt werden kann. Aufgrund der nahezu identischen Koordinationsumgebung bleibt bei allen synthetisierten Verbindungen die Kupfer-Kupfer Wechselwirkung dabei gleich. Die Daten von ESR und magnetischen Messungen zeigen weiterhin auf eine signifikante zusätzliche Metall-Radikal Wechselwirkung hin. Bei der NIT-Verbindung ist diese Austauschwechselwirkung schwach antiferromagnetisch, während die NOA-Verbindung eine schwache ferromagnetische Kopplung aufzeigt. Diese Resultate können durch DFT Rechnungen bekräftigt werden. Der Vorzeichenwechsel des Kopplungsparameters kann durch die Verkürzung des Austauschpfades vom NIT zum NOA-Benzoat um eine Bindung erklärt werden. Durch die Wahl von geeigneten Radikal- Liganden und Metallionen, zeigt sich die Möglichkeit, Systeme zu erzeugen, in denen die Radikal-Metall Wechselwirkung auch über größere Distanzen den Spin-Grundzustand des gesamten Systems signifikant beeinflussen kann. die Anwendung dieses Konzeptes auf Metall-Radikal Cluster System sollte Von großem Interesse sein.rn

Structure and properties of quaternary and tetragonal Heusler compounds for spintronics and spin transfer torque applications

Diese Dissertation ist in zwei Teile aufgeteilt: Teil 1 befasst sich mit der Vorhersage von Halb-Metallizität in quarternären Heuslerverbindungen und deren Potential für Spintronik-Anwendungen. Teil 2 befasst sich mit den strukturellen Eigenschaften der Mn2-basierenden Heuslerverbindungen und dem Tuning von ihrer magnetischen Eigenschaften bzgl. Koerzitivfeldstärke und Remanenz. Diese Verbindungen sind geeignet für Spin-Transfer Torque-Anwendungen.rnrnIn Teil 1 wurden die folgenden drei Probenserien quarternärer Heuslerverbindungen untersucht: XX´MnGa (X = Cu, Ni und X´ = Fe, Co), CoFeMnZ (Z = Al, Ga, Si, Ge) und Co2−xRhxMnZ (Z = Ga, Sn, Sb). Abgesehen von CuCoMnGa wurden alle diese Verbindungen mittels ab-initio Bandstrukturrechnungen als halbmetallische Ferromagnete prognostiziert. In der XX´MnGa-Verbindungsklasse besitzt NiFeMnGa zwar eine zu niedrige Curie-Temperatur für technologische Anwendungen, jedoch NiCoMnGa mit seiner hohen Spinpolarisation, einem hohen magnetischen Moment und einer hohen Curie-Temperatur stellt ein neues Material für Spintronik-Anwendungen dar. Alle CoFeMnZ-Verbindungen kristallisieren in der kubischen Heuslerstruktur und ihre magnetischen Momente folgen der Slater-Pauling-Regel, was Halbmetalizität und eine hohe Spinpolarisation impliziert. Die ebenfalls hohen Curie-Temperaturen ermöglichen einen Einsatz weit über Raumtemperatur hinaus. In der strukturellen Charakterisierung wurde festgestellt, dass sämtliche Co2−xRhxMnZ abgesehen von CoRhMnSn verschiedene Typen von Unordnung aufweisen; daher war die ermittelte Abweichung von der Slater-Pauling-Regel sowie von der 100%-igen Spinpolarisation dieser Verbindungen zu erwarten. Die Halbmetallizität der geordneten CoRhMnSn-Verbindung sollte nach den durchgeführten magnetischen Messungen vorhanden sein.rnrnIm zweiten Teil wurden Mn3−xCoxGa und Mn2−xRh1+xSn synthetisiert und charakterisiert. Es wurde gezeigt, dass Mn3−xCoxGa im Bereich x = 0.1 − 0.4 in einer tetragonal verzerrten inversen Heuslerstruktur kristallisiert und im Bereich x = 0.6−1 in einer kubisch inversen Heuslerstruktur. Während die tetragonalen Materialien hartmagnetisch sind und Charakeristika aufweisen, die typischerweise für Spin-Transfer Torque-Anwengungen attraktiv sind, repräsentieren die weichmagnetischen kubischen Vertreter die 100% spinpolarisierten Materialien, die der Slater-Pauling-Regel folgen. Mn2RhSn kristallisiert in der inversen tetragonal verzerrten Heuslerstruktur, weist einernhartmagnetische Hystereseschleife auf und folgt nicht der Slater-Pauling-Regel. Bei hohen Rh-Gehalt wird die kubische inverse Heuslerstruktur gebildet. Alle kubischen Proben sind weichmagnetisch und folgen der Slater-Pauling-Regel.

Charge and spin transport in nanoscale junction from first principles

Recently nanoscale junctions consisting of 0-D nanostructures (single molecule) or 1-D nanostructures (semiconducting nanowire) sandwiched between two metal electrodes are successfully fabricated and characterized. What lacks in the recent developments is the understanding of the mechanism behind the observed phenomena at the level of atoms and electrons. For example, the origin of observed switching effect in a semiconducting nanowire due to the influence of an external gate bias is not yet understood at the electronic structure level. On the same context, different experimental groups have reported different signs in tunneling magneto-resistance for the same organic spin valve structure, which has baffled researchers working in this field. In this thesis, we present the answers to some of these subtle questions by investigating the charge and spin transport in different nanoscale junctions. A parameter-free, single particle Green’s function approach in conjunction with a posteriori density functional theory (DFT) involving a hybrid orbital dependent functional is used to calculate the tunneling current in the coherent transport limit. The effect of spin polarization is explicitly incorporated to investigate spin transport in a nanoscale junction. Through the electron transport studies in PbS nanowire junction, a new orbital controlled mechanism behind the switching of the current is proposed. It can explain the switching behavior, not only in PbS nanowire, but in other lead-chalcogenide nanowires as well. Beside this, the electronic structure properties of this nanowire are studied using periodic DFT. The quantum confinement effect was investigated by calculating the bandgap of PbS nanowires with different diameters. Subsequently, we explain an observed semiconducting to metallic phase transition of this nanowire by calculating the bandgap of the nanowire under uniform radial strain. The compressive radial strain on the nanowire was found to be responsible for the metallic to semiconducting phase transition. Apart from studying one dimensional nanostructure, we also present transport properties in zero dimensional single molecular junctions. We proposed a new codoping approach in a single molecular carborane junction, where a cation and an anion are simultaneously doped to find the role of a single atom in the device. The main purpose was to build a molecular junction where a single atom can dictate the flow of electrons in a circuit. Recent observations of both positive and negative sign in tunneling magnetoresistance (TMR) the using same organic spin-valve structure hasmystified researchers. From our spin dependent transport studies in a prototypical organic molecular tunneling device, we found that a 3% change in metal-molecule interfacial distance can alter the sign of TMR. Changing the interfacial distance by 3%, the number of participating eigenstates as well as their orbital characteristic changes for anti-parallel configuration of the magnetization at the two electrodes, leading to the sign reversal of the TMR. Apart from this, the magnetic proximity effect under applied bias is investigated quantitatively, which can be used to understand the observed unexpectedmagnetismin carbon basedmaterials when they are in close proximity with magnetic substrates.

Spin-strain coupling in a 3-D transition metal oxides

ab-initio Hartree Fock (HF), density functional theory (DFT) and hybrid potentials were employed to compute the optimized lattice parameters and elastic properties of perovskite 3-d transition metal oxides. The optimized lattice parameters and elastic properties are interdependent in these materials. An interaction is observed between the electronic charge, spin and lattice degrees of freedom in 3-d transition metal oxides. The coupling between the electronic charge, spin and lattice structures originates due to localization of d-atomic orbitals. The coupling between the electronic charge, spin and crystalline lattice also contributes in the ferroelectric and ferromagnetic properties in perovskites. The cubic and tetragonal crystalline structures of perovskite transition metal oxides of ABO3 are studied. The electronic structure and the physics of 3-d perovskite materials is complex and less well considered. Moreover, the novelty of the electronic structure and properties of these perovskites transition metal oxides exceeds the challenge offered by their complex crystalline structures. To achieve the objective of understanding the structure and property relationship of these materials the first-principle computational method is employed. CRYSTAL09 code is employed for computing crystalline structure, elastic, ferromagnetic and other electronic properties. Second-order elastic constants (SOEC) and bulk moduli (B) are computed in an automated process by employing ELASTCON (elastic constants) and EOS (equation of state) programs in CRYSTAL09 code. ELASTCON, EOS and other computational algorithms are utilized to determine the elastic properties of tetragonal BaTiO3, rutile TiO2, cubic and tetragonal BaFeO3 and the ferromagentic properties of 3-d transition metal oxides. Multiple methods are employed to crosscheck the consistency of our computational results. Computational results have motivated us to explore the ferromagnetic properties of 3-d transition metal oxides. Billyscript and CRYSTAL09 code are employed to compute the optimized geometry of the cubic and tetragonal crystalline structure of transition metal oxides of Sc to Cu. Cubic crystalline structure is initially chosen to determine the effect of lattice strains on ferromagnetism due to the spin angular momentum of an electron. The 3-d transition metals and their oxides are challenging as the basis functions and potentials are not fully developed to address the complex physics of the transition metals. Moreover, perovskite crystalline structures are extremely challenging with respect to the quality of computations as the latter requires the well established methods. Ferroelectric and ferromagnetic properties of bulk, surfaces and interfaces are explored by employing CRYSTAL09 code. In our computations done on cubic TMOs of Sc-Fe it is observed that there is a coupling between the crystalline structure and FM/AFM spin polarization. Strained crystalline structures of 3-d transition metal oxides are subjected to changes in the electromagnetic and electronic properties. The electronic structure and properties of bulk, composites, surfaces of 3-d transition metal oxides are computed successfully.

Spin-lattice relaxation of laser-polarized xenon in human blood

The nuclear spin polarization of 129Xe can be enhanced by several orders of magnitude by using optical pumping techniques. The increased sensitivity of xenon NMR has allowed imaging of lungs as well as other in vivo applications. The most critical parameter for efficient delivery of laser-polarized xenon to blood and tissues is the spin-lattice relaxation time (T1) of xenon in blood. In this work, the relaxation of laser-polarized xenon in human blood is measured in vitro as a function of blood oxygenation. Interactions with dissolved oxygen and with deoxyhemoglobin are found to contribute to the spin-lattice relaxation time of 129Xe in blood, the latter interaction having greater effect. Consequently, relaxation times of 129Xe in deoxygenated blood are shorter than in oxygenated blood. In samples with oxygenation equivalent to arterial and venous blood, the 129Xe T1s at 37°C and a magnetic field of 1.5 T were 6.4 s ± 0.5 s and 4.0 s ± 0.4 s, respectively. The 129Xe spin-lattice relaxation time in blood decreases at lower temperatures, but the ratio of T1 in oxygenated blood to that in deoxygenated blood is the same at 37°C and 25°C. A competing ligand has been used to show that xenon binding to albumin contributes to the 129Xe spin-lattice relaxation in blood plasma. This technique is promising for the study of xenon interactions with macromolecules.

Natural abundance solid-state carbon NMR studies of photosynthetic reaction centers with photoinduced polarization.

Solid-state NMR spectra of natural abundance 13C in reaction centers from photosynthetic bacteria Rhodobacter sphaeroides R-26 was measured. When the quinone acceptors were removed and continuous visible illumination of the sample was provided, exceptionally strong nuclear spin polarization was observed in NMR lines with chemical shifts resembling those of the aromatic carbons in bacteriochlorophyll and bacteriopheophytin. The observation of spin polarized 15N nuclei in bacteriochlorophyll and bacteriopheophytin was previously demonstrated with nonspecifically 15N-labeled reaction centers. Both the carbon and the nitrogen NMR studies indicate that the polarization is developed on species that carry unpaired electrons in the early electron transfer steps, including the bacteriochlorophyll dimer donor P860 and probably the bacteriopheophytin acceptor. I. Both enhanced-absorptive and emissive polarization were seen in the carbon spectrum; most lines were absorptive but the methine carbons of the porphyrin ring (alpha, beta, gamma, ) exhibited emissive polarization. The change in the sign of the hyperfine coupling at these sites indicates the existence of nodes in the spin density distribution on the tetrapyrrole cofactors flanking each methine carbon bridge.

Spin depolarization in the transport of holes across GaxMn1−xAs∕GayAl1−yAs∕p-GaAs

We study the spin polarization of tunneling holes injected from ferromagnetic GaMnAs into a p-doped semiconductor through a tunneling barrier. We find that spin-orbit interaction in the barrier and in the drain limits severely spin injection. Spin depolarization is stronger when the magnetization is parallel to the current than when it is perpendicular to it.

Spin-phonon coupling in single Mn-doped CdTe quantum dot

The spin dynamics of a single Mn atom in a laser driven CdTe quantum dot is addressed theoretically. Recent experimental results [ Gall et al. Phys. Rev. Lett. 102 127402 (2009);  Goryca et al. Phys. Rev. Lett. 103 087401 (2009)  Gall et al. Phys. Rev. B 81 245315 (2010)] show that it is possible to induce Mn spin polarization by means of circularly polarized optical pumping. Pumping is made possible by the faster Mn spin relaxation in the presence of the exciton. Here we discuss different Mn spin-relaxation mechanisms: first, Mn-phonon coupling, which is enhanced in the presence of the exciton; second, phonon induced hole spin relaxation combined with carrier-Mn spin-flip coupling and photon emission results in Mn spin relaxation. We model the Mn spin dynamics under the influence of a pumping laser that injects excitons into the dot, taking into account exciton-Mn exchange and phonon induced spin relaxation of both Mn and holes. Our simulations account for the optically induced Mn spin pumping.

Spin degree of freedom in two dimensional exciton condensates

We present a theoretical analysis of a spin-dependent multicomponent condensate in two dimensions. The case of a condensate of resonantly photoexcited excitons having two different spin orientations is studied in detail. The energy and the chemical potentials of this system depend strongly on the spin polarization. When electrons and holes are located in two different planes, the condensate can be either totally spin polarized or spin unpolarized, a property that is measurable. The phase diagram in terms of the total density and electron-hole separation is discussed.

Modeling of optical detection of spin-polarized carrier injection into light-emitting devices

We investigate the emission of multimodal polarized light from light emitting devices due to spin-aligned carrier injection. The results are derived through operator Langevin equations, which include thermal and carrier-injection fluctuations, as well as nonradiative recombination and electronic g-factor temperature dependence. We study the dynamics of the optoelectronic processes and show how the temperature-dependent g factor and magnetic field affect the degree of polarization of the emitted light. In addition, at high temperatures, thermal fluctuation reduces the efficiency of the optoelectronic detection method for measuring the degree of spin polarization of carrier injection into nonmagnetic semicondutors.