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.

Messung des elektrischen Neutron-Formfaktors in der Reaktion 3 He(e,e'n)pp bei Q 2 = 1.58 (GeV/c) 2

Die elektromagnetischen Nukleon-Formfaktoren sind fundamentale Größen, welche eng mit der elektromagnetischen Struktur der Nukleonen zusammenhängen. Der Verlauf der elektrischen und magnetischen Sachs-Formfaktoren G_E und G_M gegen Q^2, das negative Quadrat des Viererimpulsübertrags im elektromagnetischen Streuprozess, steht über die Fouriertransformation in direkter Beziehung zu der räumlichen Ladungs- und Strom-Verteilung in den Nukleonen. Präzise Messungen der Formfaktoren über einen weiten Q^2-Bereich werden daher für ein quantitatives Verständnis der Nukleonstruktur benötigt.rnrnDa es keine freien Neutrontargets gibt, gestaltet sich die Messung der Neutron-Formfaktoren schwierig im Vergleich zu der Messung am Proton. Konsequenz daraus ist, dass die Genauigkeit der vorhandenen Daten von Neutron-Formfaktoren deutlich geringer ist als die von Formfaktoren des Protons; auch der vermessene Q^2-Bereich ist kleiner. Insbesondere der elektrische Sachs-Formfaktor des Neutrons G_E^n ist schwierig zu messen, da er aufgrund der verschwindenden Nettoladung des Neutrons im Verhältnis zu den übrigen Nukleon-Formfaktoren sehr klein ist. G_E^n charakterisiert die Ladungsverteilung des elektrisch neutralen Neutrons und ist damit besonders sensitiv auf die innere Struktur des Neutrons.rnrnIn der hier vorgestellten Arbeit wurde G_E^n aus Strahlhelizitätsasymmetrien in der quasielastischen Streuung vec{3He}(vec{e}, e'n)pp bei einem Impulsübertrag von Q^2 = 1.58 (GeV/c)^2 bestimmt. Die Messung fand in Mainz an der Elektronbeschleunigeranlage Mainzer Mikrotron innerhalb der A1-Kollaboration im Sommer 2008 statt. rnrnLongitudinal polarisierte Elektronen mit einer Energie von 1.508 GeV wurden an einem polarisierten ^3He-Gastarget, das als effektives, polarisiertes Neutrontarget diente, gestreut. Die gestreuten Elektronen wurden in Koinzidenz mit den herausgeschlagenen Neutronen detektiert; die Elektronen wurden in einem magnetischen Spektrometer nachgewiesen, durch den Nachweis der Neutronen in einer Matrix aus Plastikszintillatoren wurde der Beitrag der quasielastischen Streuung am Proton unterdrückt.rnrnAsymmetrien des Wirkungsquerschnitts bezüglich der Elektronhelizität sind bei Orientierung der Targetpolarisation in der Streuebene und senkrecht zum Impulsübertrag sensitiv auf G_E^n / G_M^n; mittels deren Messung kann G_E^n bestimmt werden, da der magnetische Formfaktor G_M^n mit vergleichsweise hoher Präzision bekannt ist. Zusätzliche Messungen der Asymmetrie bei einer Polarisationsorientierung parallel zum Impulsübertrag wurden genutzt, um systematische Fehler zu reduzieren.rnrnFür die Messung inklusive statistischem (stat) und systematischem (sys) Fehler ergab sich G_E^n = 0.0244 +/- 0.0057_stat +/- 0.0016_sys.

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])

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.

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.

Spin-transfer torque on a single magnetic adatom

We theoretically show how the spin orientation of a single magnetic adatom can be controlled by spin polarized electrons in a scanning tunneling microscope configuration. The underlying physical mechanism is spin assisted inelastic tunneling. By changing the direction of the applied current, the orientation of the magnetic adatom can be completely reversed on a time scale that ranges from a few nanoseconds to microseconds, depending on bias and temperature. The changes in the adatom magnetization direction are, in turn, reflected in the tunneling conductance.

Graphene single-electron transistor as a spin sensor for magnetic adsorbates

We study single-electron transport through a graphene quantum dot with magnetic adsorbates. We focus on the relation between the spin order of the adsorbates and the linear conductance of the device. The electronic structure of the graphene dot with magnetic adsorbates is modeled through numerical diagonalization of a tight-binding model with an exchange potential. We consider several mechanisms by which the adsorbate magnetic state can influence transport in a single-electron transistor: tuning the addition energy, changing the tunneling rate, and in the case of spin-polarized electrodes, through magnetoresistive effects. Whereas the first mechanism is always present, the others require that the electrode has to have either an energy- or spin-dependent density of states. We find that graphene dots are optimal systems to detect the spin state of a few magnetic centers.

Electronic properties of transition metal atoms on Cu2N/Cu(100)

We study the nature of spin excitations of individual transition metal atoms (Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, and Ni) deposited on a Cu2N/Cu(100) surface using both spin-polarized density functional theory (DFT) and exact diagonalization of an Anderson model derived from DFT. We use DFT to compare the structural, electronic, and magnetic properties of different transition metal adatoms on the surface. We find that the average occupation of the transition metal d shell, main contributor to the magnetic moment, is not quantized, in contrast with the quantized spin in the model Hamiltonians that successfully describe spin excitations in this system. In order to reconcile these two pictures, we build a zero bandwidth multi-orbital Anderson Hamiltonian for the d shell of the transition metal hybridized with the p orbitals of the adjacent nitrogen atoms, by means of maximally localized Wannier function representation of the DFT Hamiltonian. The exact solutions of this model have quantized total spin, without quantized charge at the d shell. We propose that the quantized spin of the models actually belongs to many-body states with two different charge configurations in the d shell, hybridized with the p orbital of the adjacent nitrogen atoms. This scenario implies that the measured spin excitations are not fully localized at the transition metal.

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.

Rashba spin precession in a magnetic field

Spin precession due to Rashba spin-orbit coupling in a two-dimension electron gas is the basis for the spin field effect transistor, in which the overall perfect spin-polarized current modulation could be acquired. There is a prerequisite, however, that a strong transverse confinement potential should be imposed on the electron gas or the width of the confined quantum well must be narrow. We propose relieving this rather strict limitation by applying an external magnetic field perpendicular to the plane of the electron gas because the effect of the magnetic field on the conductance of the system is equivalent to the enhancement of the lateral confining potential. Our results show that the applied magnetic field has little effect on the spin precession length or period although in this case Rashba spin-orbit coupling could lead to a Zeeman-type spin splitting of the energy band.

Phase Transitions in Engineered Ultracold Quantum Systems

The study of quantum degenerate gases has many applications in topics such as condensed matter dynamics, precision measurements and quantum phase transitions. We built an apparatus to create 87Rb Bose-Einstein condensates (BECs) and generated, via optical and magnetic interactions, novel quantum systems in which we studied the contained phase transitions. For our first experiment we quenched multi-spin component BECs from a miscible to dynamically unstable immiscible state. The transition rapidly drives any spin fluctuations with a coherent growth process driving the formation of numerous spin polarized domains. At much longer times these domains coarsen as the system approaches equilibrium. For our second experiment we explored the magnetic phases present in a spin-1 spin-orbit coupled BEC and the contained quantum phase transitions. We observed ferromagnetic and unpolarized phases which are stabilized by the spin-orbit coupling’s explicit locking between spin and motion. These two phases are separated by a critical curve containing both first-order and second-order transitions joined at a critical point. The narrow first-order transition gives rise to long-lived metastable states. For our third experiment we prepared independent BECs in a double-well potential, with an artificial magnetic field between the BECs. We transitioned to a single BEC by lowering the barrier while expanding the region of artificial field to cover the resulting single BEC. We compared the vortex distribution nucleated via conventional dynamics to those produced by our procedure, showing our dynamical process populates vortices much more rapidly and in larger number than conventional nucleation.

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.