Topological properties of complex magnets from an advanced ab-initio Wannier description

Hanke, Jan-Philipp; Honerkamp, Carsten; Blügel, Stefan

doi:37559

Topological properties of complex magnets from an advanced ab-initio Wannier description = Topologische Eigenschaften von komplexen Magneten durch eine fortgeschrittene ab-initio Wannier-Beschreibung

Hanke, Jan-Philipp^RWTH*

2018

VerantwortlichkeitsangabeJan-Philipp Hanke

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH, Zentralbibliothek, Verlag 2018

Umfang1 Online-Ressource (xi, 173 Seiten) : Illustrationen

ISBN978-3-95806-357-0

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich, Reihe Schlüsseltechnologien ; 183

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Blügel, Stefan (Thesis advisor)^RWTH* ; Honerkamp, Carsten (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-08-27

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-229187
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/748145/files/748145.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/748145/files/748145.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Berry phases (frei) ; Wannier functions (frei) ; density functional theory (frei) ; orbital magnetism (frei) ; spin torques (frei) ; spin-orbitronics (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Berry-Phasen ermöglichen eine elegante Deutung physikalischer Effekte in Festkörpern basierend auf der adiabatischen Evolution der Elektronen, wenn Kontrollparameter variiert werden. Diese Arbeit entwickelt fortgeschrittene ab initio Methoden für die Dichtefunktionaltheorie, um Eigenschaften komplexer Magneten durch die geometrischen Merkmale von zwei unterschiedlichen Phasenräumen zu beschreiben.Die Geometrie des Impulsraums manifestiert sich in intrinsischen Beiträgen zum anomalen Hall-Effekt und zur Orbitalmagnetisierung von Kristallen. Dabei ist im Gegensatz zum anomalen Transport das allgemeine Verständnis von Orbitalmagnetismus in periodischen Systemen unvollständig. Eine quantenmechanische Beschreibung des Phänomens fehlte sogar bis zur kürzlichen Entwicklung einer aufwendigen Berry-Phasen-Theorie, deren Relevanz jedoch unbekannt ist. Um diese offene Frage zu beantworten, implementieren wir die moderne Theorie der Orbitalmagnetisierung innerhalb der präzisen full-potential linearized augmented-plane-wave Methode. Durch den Vergleich mit einer häufig verwendeten Näherung zeigen wir, dass die Berry-Phasen-Theorie essentiell ist, um Orbitalmagnetismus in heutigen Materialien der Spintronik (z.B. dünne Heterostrukturen oder topologische Magneten) verlässlich vorherzusagen. Wir zeigen zudem, dass die chirale Spinstruktur nicht-koplanarer Antiferromagneten als emergentes magnetisches Feld wirkt und somit die orbitale Entartung effizient aufhebt, sogar in Abwesenheit der Spin-Bahn-Wechselwirkung. Durch diesen Mechanismus ist die makroskopische Magnetisierung in einer neuen Materialklasse, die wir als topologische Orbitalferromagneten bezeichnen, allein durch starken Orbitalmagnetismus infolge nicht-lokaler Ströme verursacht. Wir identifizieren vielversprechende Film- und Bulksysteme, die eine solche topologische Orbitalmagnetisierung aufweisen. Das aufstrebende Forschungsfeld der Spin-Orbitronik eröffnet neue Möglichkeiten in der Konzeption magnetischer Bauelemente, da es relativistische Phänomene wie Spin-Orbit-Torques zur elektrischen Kontrolle von Magnetismus nutzt. Seit Kurzem werden diese Torques sowie die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung als geometrische Effekte eines gemischten Phasenraums aus Kristallimpuls und Magnetisierungsrichtung betrachtet. Jedoch stellt die effiziente Beschreibung von solchen komplexen Phasenräumen eine zentrale Herausforderung für die ab initio Theorie dar, was neuartige Methoden erfordert. Um entsprechende Berry-Phasen-Effekte präzise zu beschreiben, entwickeln wir in dieser Arbeit eine verallgemeinerte Wannier Interpolation. Wir wenden den Formalismus auf Spin-Orbit-Torques und die chirale Austauschwechselwirkung an, deren mikroskopischen Ursprung wir in magnetischen Filmen mit der Elektronenstruktur korrelieren und die Rolle von chemischer Zusammensetzung sowie Unordnung betrachten. Zudem ermöglicht die entwickelte Methode die effiziente Berechnung der teilweise deutlichen Anisotropie dieser Phänomene bezüglich der Magnetisierungsrichtung. Wir untersuchen ebenfalls das Zusammenspiel von Magnetismus und Topologie, wodurch magnetisch induzierten Kreuzungspunkten in der Bandstruktur von isolierenden Systemen eine starke magneto-elektrische Antwort zugeschrieben werden kann. Um dies als Leitfaden zur Erzeugung großer Spin-Orbit-Torques in topologischen Ferromagneten zu etablieren, führen wir das Konzept von mixed Weyl semimetals ein. Wir zeigen, dass entsprechende topologische Phasenübergänge von drastischen Veränderungen der orbitalen Chemie begleitet werden.

Berry phases impart an elegant interpretation of fundamental condensed-matter phenomena as a direct consequence of the electrons' adiabatic evolution under the variation of control parameters. This thesis develops advanced ab initio methods based on density functional theory and applies them to investigate Berry phase effects in complex magnets, rooting in the global properties of two distinct types of phase spaces. The non-trivial geometry of momentum space manifests in intrinsic contributions to the anomalous Hall effect as well as orbital magnetism in solids. While the former has been subject to intensive research in the past decades, our understanding of orbital magnetism in periodic systems is still at a rather premature stage. Even its quantum-mechanical description was elusive until the recent advent of a rigorous but involved Berry phase theory, the overall importance of which is unclear. To resolve this open question, we implement the modern theory of orbital magnetization within the full-potential linearized augmented-plane-wave method that is known for its high precision. By comparing to a commonly applied but simple local approximation, we uncover in this thesis that the Berry phase theory is crucial to predict reliably orbital magnetism in systems studied extensively in spintronics, including thin magnetic heterostructures and topological magnets. Remarkably, we demonstrate that the emergent magnetic field due to the chiral spin structure of non-coplanar antiferromagnets constitutes an efficient mechanism to lift the orbital degeneracy even in the absence of spin-orbit coupling. In a new class of materials to which we refer as topological orbital ferromagnets, the macroscopic magnetization originates solely from pronounced orbital magnetism due to non-local charge currents. We identify promising candidates of film and bulk systems that realize the predicted topological orbital magnetization, without any reference to correlation or spin-orbit effects. Paving the road towards innovative device architectures, the burgeoning research field of spin-orbitronics exploits relativistic phenomena to control electrically magnetism by means of spin-orbit torques. Only recently, these torques and the related Dzyaloshinskii-Moriya interaction were recognized as innately geometrical effects that originate from the global properties of a mixed phase space entangling the crystal momentum with the magnetization direction. However, the efficient treatment of such complex higher-dimensional phase spaces sets a central challenge for ab initio theory, calling for advanced computational methods. This demand is met by a generalized Wannier interpolation that we develop here in order to describe Berry phase effects in generic parameter spaces precisely. Using the scheme for spin torques and chiral interactions in magnetic heterostructures, we correlate their microscopic origin with the electronic structure, and elucidate the role of chemical composition and disorder. In addition, the developed formalism enables us to evaluate efficiently the dependence of these phenomena on the magnetization direction, revealing large anisotropies in the studied systems. Considering the interplay of magnetism and topology, we uncover that magnetically induced band crossings manifest in prominent magneto-electric responses in magnetic insulators. We introduce the concept of mixed Weyl semimetals to establish novel guiding principles for engineering large spin-orbit torques in topologically complex ferromagnets. Moreover, we show that topological phase transitions in these materials are accompanied by drastic changes of the local orbital chemistry.

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