Observation of two-magnon bound states in the spin-1 anisotropic Heisenberg antiferromagnetic chain system NiCl2-4SC(NH2)(2)

Results of systematic tunable-frequency ESR studies of the spin dynamics in NiCl2-4SC(NH2)(2) (known as DTN), a gapped S = 1 chain system with easy-plane anisotropy dominating over the exchange coupling (large-D chain), are presented. We have obtained direct evidence for two-magnon bound states, predicted for S = 1 large-D spin chains in the fully spin-polarized (FSP) phase. The frequency-field dependence of the corresponding excitations was calculated using the set of parameters obtained earlier [S.A. Zvyagin, et al., Phys. Rev. Lett. 98 (2007) 047205]. Very good agreement between the calculations and the experiment was obtained. It is argued that the observation of transitions from the ground to two-magnon bound states might indicate a more complex picture of magnetic interactions in DTN, involving a finite in-plane anisotropy. (C) 2007 Elsevier B.V. All rights reserved.

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.

Towards coherent optical control of a single hole spin: Rabi rotation of a trion conditional on the spin state of the hole

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Scanning tunneling microscope operating as a spin diode

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Batimentos quânticos dependentes do SPIN via STM

Pós-graduação em Ciência dos Materiais - FEIS

Materiais óxidos magnéticos nanoestruturados

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Spin-dependent beating patterns in thermoelectric properties: Filtering the carriers of the heat flux in a Kondo adatom system

Conselho Nacional de Desenvolvimento Científico e Tecnológico (CNPq)

Magnetic tunneling junctions with the Heusler compound Co 2 Cr 0.6 Fe 0.4 Al

Materialen mit sehr hoher Spinpolarisation werden für Anwendungen im Bereich der Spin-Elektronik benötigt. Deshalb werden große Forschungsanstrengungen zur Untersuchung der Eigenschaften von Verbindungen mit potentiell halbmetallischem Charakter, d. h.mit 100% Spinpolarisation, unternommen. In halbmetallischen Verbindungen, erwartet man eine Lücke in der Zustandsdichte an der Fermi Energie für Ladungsträger einer Spinrichtung, wahrend die Ladungsträger mit der anderen Spinrichtung sich metallisch verhalten. Eine Konsequenz davon ist, dass ein Strom, der durch solche Verbindung fließt, voll spinpolarisiert ist. Die hohe Curie-Temperatur Tc (800 K) und der theoretisch vorhergesagte halbmetallische Charakter machen Co2Cr0.6Fe0.4Al (CCFA) zu einem guten Kandidaten für Spintronik-Anwendungen wie magnetische Tunnelkontakte (MTJs = Magnetic Tunneling Junctions). In dieser Arbeit werden die Ergebnisse der Untersuchung der elektronischen und strukturellen Eigenschaften von dünnen CCFA Schichten dargestellt. Diese Schichten wurden in MTJs integriert und der Tunnel-Magnetowiderstands-Effekt untersucht. Hauptziele waren die Messung der Spinpolarisation und Untersuchungen der elektronischen Struktur von CCFA. Der Einfluss verschiedener Depositionsparameter auf die Eigenschaften der Schichten, speziell auf der Oberflächenordnung und damit letztlich auf den Tunnel-Magnetowiderstand (TMR), wurde bestimmt. Epitaktische d¨unne CCFA Schichten mit zwei verschiedenen Wachstumsrichtungen wurden auf verschiedene Substrate und Pufferschichten deponiert. Ein Temperverfahren wurde eingesetzt um die strukturelle Eigenschaften der dünnen Schichten zu verbessern. Für die MTJs wurde Al2O3 als Barrierenmaterial verwendet und Co als Gegenelektrode gewählt. Die Mehrschicht-Systeme wurden in Mesa-Geometrie mit lithographischen Methoden strukturiert. Eine maximal Jullière Spinpolarisation von 54% wurde an Tunnelkontakte mit epitaktischen CCFA Schichten gemessen. Ein starker Einfluss der Tempernbedingungen auf dem TMR wurde festgestellt. Eine Erhörung des TMR wurde mit einer Verbesserung der Oberflächenordung der CCFA Schichten korreliert. Spektroskopische Messungen wurden an den MTJs durchgeführt. Diesen Messungen liefern Hinweise auf inelastische Elektron-Magnon und Elektron-Phonon Stossprozesse an den Grenzflächen. Einige der beobachteten Strukturen konnten mit der berechneten elektronischen Struktur von CCFA korreliert worden.

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.

Search for a spin-dependent short-range force between nucleons with a 3 He, 129 Xe clock-comparison experiment

Light pseudoscalar bosons, such as the axion that was originally proposed as a solution of the strong CP problem, would cause a new spin-dependent short-range interaction. In this thesis, an experiment is presented to search for axion mediated short-range interaction between a nucleon and the spin of a polarized bound neutron. This interaction cause a shift in the precession frequency of nuclear spin-polarized gases in the presence of an unpolarized mass. To get rid of magnetic field drifts co-located, nuclear spin polarized 3He and 129Xe atoms were used. The free nuclear spin precession frequencies were measured in a homogeneous magnetic guiding field of about 350nT using LTc SQUID detectors. The whole setup was housed in a magnetically shielded room at the Physikalisch Technische Bundesanstalt (PTB) in Berlin. With this setup long nuclear spin-coherence times, respectively, transverse relaxation times of 5h for 129Xe and 53h for 3He could be achieved. The results of the last run in September 2010 are presented which give new upper limits on the scalar-pseudoscalar coupling of axion-like particles in the axion-mass window from 10^(-2) eV to 10^(-6) eV. The laboratory upper bounds were improved by up to 4 orders of magnitude.

Imaging spin-filter efficiency of W(001) and Ir(001) single crystals

Während der letzten Jahre wurde für Spinfilter-Detektoren ein wesentlicher Schritt in Richtung stark erhöhter Effizienz vollzogen. Das ist eine wichtige Voraussetzung für spinaufgelöste Messungen mit Hilfe von modernen Elektronensp ektrometern und Impulsmikroskopen. In dieser Doktorarbeit wurden bisherige Arbeiten der parallel abbildenden Technik weiterentwickelt, die darauf beruht, dass ein elektronenoptisches Bild unter Ausnutzung der k-parallel Erhaltung in der Niedrigenergie-Elektronenbeugung auch nach einer Reflektion an einer kristallinen Oberfläche erhalten bleibt. Frühere Messungen basierend auf der spekularen Reflexion an einerrnW(001) Oberfläche [Kolbe et al., 2011; Tusche et al., 2011] wurden auf einenrnviel größeren Parameterbereich erweitert und mit Ir(001) wurde ein neues System untersucht, welches eine sehr viel längere Lebensdauer der gereinigten Kristalloberfläche im UHV aufweist. Die Streuenergie- und Einfallswinkel-“Landschaft” der Spinempfindlichkeit S und der Reflektivität I/I0 von gestreuten Elektronen wurde im Bereich von 13.7 - 36.7 eV Streuenergie und 30◦ - 60◦ Streuwinkel gemessen. Die dazu neu aufgebaute Messanordnung umfasst eine spinpolarisierte GaAs Elektronenquellernund einen drehbaren Elektronendetektor (Delayline Detektor) zur ortsauflösenden Detektion der gestreuten Elektronen. Die Ergebnisse zeigen mehrere Regionen mit hoher Asymmetrie und großem Gütefaktor (figure of merit FoM), definiert als S2 · I/I0. Diese Regionen eröffnen einen Weg für eine deutliche Verbesserung der Vielkanal-Spinfiltertechnik für die Elektronenspektroskopie und Impulsmikroskopie. Im praktischen Einsatz erwies sich die Ir(001)-Einkristalloberfläche in Bezug auf längere Lebensdauer im UHV (ca. 1 Messtag), verbunden mit hoher FOM als sehr vielversprechend. Der Ir(001)-Detektor wurde in Verbindung mit einem Halbkugelanalysator bei einem zeitaufgelösten Experiment im Femtosekunden-Bereich am Freie-Elektronen-Laser FLASH bei DESY eingesetzt. Als gute Arbeitspunkte erwiesen sich 45◦ Streuwinkel und 39 eV Streuenergie, mit einer nutzbaren Energiebreite von 5 eV, sowie 10 eV Streuenergie mit einem schmaleren Profil von < 1 eV aber etwa 10× größerer Gütefunktion. Die Spinasymmetrie erreicht Werte bis 70 %, was den Einfluss von apparativen Asymmetrien deutlich reduziert. Die resultierende Messungen und Energie-Winkel-Landschaft zeigt recht gute Übereinstimmung mit der Theorie (relativistic layer-KKR SPLEED code [Braun et al., 2013; Feder et al.,rn2012])

Polarized interacting exciton gas in quantum wells and bulk semiconductors

We develop a theory to calculate exciton binding energies of both two- and three-dimensional spin polarized exciton gases within a mean field approach. Our method allows the analysis of recent experiments showing the importance of the polarization and intensity of the excitation light on the exciton luminescence of GaAs quantum wells. We study the breaking of the spin degeneracy observed at high exciton density (5×1010 cm2). Energy level splitting between spin +1 and spin -1 is shown to be due to many-body interexcitonic exchange while the spin relaxation time is controlled by intraexciton exchange. © 1996 The American Physical Society.

Spin dynamics of current-driven single magnetic adatoms and molecules

A scanning tunneling microscope can probe the inelastic spin excitations of a single magnetic atom in a surface via spin-flip assisted tunneling in which transport electrons exchange spin and energy with the atomic spin. If the inelastic transport time, defined as the average time elapsed between two inelastic spin flip events, is shorter than the atom spin-relaxation time, the scanning tunnel microscope (STM) current can drive the spin out of equilibrium. Here we model this process using rate equations and a model Hamiltonian that describes successfully spin-flip-assisted tunneling experiments, including a single Mn atom, a Mn dimer, and Fe Phthalocyanine molecules. When the STM current is not spin polarized, the nonequilibrium spin dynamics of the magnetic atom results in nonmonotonic dI/dV curves. In the case of spin-polarized STM current, the spin orientation of the magnetic atom can be controlled parallel or antiparallel to the magnetic moment of the tip. Thus, spin-polarized STM tips can be used both to probe and to control the magnetic moment of a single atom.

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.

Giant magnetoresistance in ultrasmall graphene based devices

By computing spin-polarized electronic transport across a finite zigzag graphene ribbon bridging two metallic graphene electrodes, we demonstrate, as a proof of principle, that devices featuring 100% magnetoresistance can be built entirely out of carbon. In the ground state a short zigzag ribbon is an antiferromagnetic insulator which, when connecting two metallic electrodes, acts as a tunnel barrier that suppresses the conductance. The application of a magnetic field makes the ribbon ferromagnetic and conductive, increasing dramatically the current between electrodes. We predict large magnetoresistance in this system at liquid nitrogen temperature and 10 T or at liquid helium temperature and 300 G.