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Intrinsic and extrinsic spin-orbit torques from first principles = Intrinsisches und extrinsisches Spin-orbit Torque ab initio
2017
Dissertation, RWTH Aachen University, 2017
Druckausgabe: 2017. - Onlineausgabe: 2017. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
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Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2017-01-18
Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2017-024646
DOI: 10.18154/RWTH-2017-02464
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/685712/files/685712.pdf
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/685712/files/685712.pdf?subformat=pdfa
Einrichtungen
- Lehrstuhl für Theoretische Physik (FZ Jülich) (137510)
- Juniorprofessur für Theoretische Physik (FZ Jülich) (137730)
- Fachgruppe Physik (130000)
Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
magnetic torque (frei) ; spin-orbit coupling (frei) ; density functional theory (frei) ; first principles calculations (frei) ; parallel computing (HPC) (frei)
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Diese Arbeit versucht, Licht in die mikroskopischen Mechanismen zu bringen, die strominduzierten magnetischen Drehmomenten in ferromagnetischen Heterostrukturen zugrunde liegen. Wir haben ab initio Methoden entwickelt, um eine genaue und effiziente Berechnung der sogenannten Spin-Bahn-Drehmomente (Spin-orbit torques, SOTs) in magnetischen, dünnen Filmen durchführen zu können. Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt auf den SOTs, die durch Störstellen hervorgerufen werden.Der Hauptteil dieser Arbeit ist der Entwicklung eines Formalismus für die Berechnung der SOTs in der Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) Methode gewidmet. Die störstelleninduzierten Übergängsraten werden ab initio berechnet und die Auswirkung auf die Transporteigenschaften wird im Rahmen des Boltzmann-Formalismus behandelt. Der entwickelte Formalismus liefert eine Methode für die Berechnung der SOTs, welche über die herkömmliche Relaxationszeitnäherung hinaus geht.Wir wenden unseren Formalismus zunächst zur Untersuchung von FePt/Pt und Co/Cu Heterostrukturen mit Defekten und Verunreinigungen an. Unsere Ergebnisse deuten auf eine entscheidende Abhängigkeit des Drehmoments von der Art der Unordnung, die wir durch ein komplexes Zusammenspiel von mehreren konkurrierenden Fermiflächenbeiträgen zum SOT erklären. Erstaunlicherweise führen bestimmte Defektverteilungen oder Dotierungselemente jeweils zu einer Erhöhung oder einer Vorzeichenänderung des Drehmoments, die nicht auf der Basis von einfachen Modellen erklärt werden können. Wir berechnen auch die vonelektrischen und thermischen Strömen induzierten intrinsischen SOTs mit Hilfe der Full Potential Augmented Plane-Wave Methode (FLAPW). Wir untersuchen dann den mikroskopischen Ursprung des SOT in einer Ag2Bi/Ag/Fe Heterostruktur. Wir finden, dass das SOT in diesem System nicht alleine durch die Spin-Bahn-Kopplung in der Ag2Bi-Schicht erklärt werden kann, sondern sich statt dessen aus der Spin-Bahn-Kopplung in allen Schichten des Films ergibt.Schließlich sagen wir ein großes SOT in Fe/Ge-Doppelschichten vorher und schlagen vor, dass Halbleitersubstrate eine vielversprechende Alternative zu den Schwermetallen für die Entwicklung von SOT-basierten magnetischen Speichern sein können. Wir demonstrieren eine starke Abhängigkeit des SOT von der Stapelrichtung und zeigen dadurch wichtige Leitlinien für künftige experimentelle Arbeiten auf. Wir berechnen auch die untergitteraufgelösten SOTs in einer antiferromagnetischen Fe/Ge-Doppelschicht und finden eine große Anisotropie desTorkancetensors.This thesis attempts to shed light on the microscopic mechanisms underlying the current-induced magnetic torques in ferromagnetic heterostructures. We have developed first principles methods aiming at the accurate and efficient calculation of the so-called spin-orbit torques (SOTs) in magnetic thin films. The emphasis of this work is on the impurity-driven extrinsic SOTs.The main part of this thesis is dedicated to the development of a formalism for the calculation of the SOTs within the Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) method. The impurity-induced transitions rates are obtained from first principles and their effect on transport properties is treated within the Boltzmann formalism. The developed formalism provides a mean to compute the SOTs beyond the conventional constant relaxation time approximation.We first apply our formalism to the investigation of FePt/Pt and Co/Cu bilayers in the presence of defects and impurities. Our results hint at a crucial dependence of the torque on the type of disorder present in the films, which we explain by a complex interplay of several competing Fermi surface contributions to the SOT. Astonishingly,specific defect distributions or doping elements lead respectively to an increase or a sign change of the torque, which can not be explained on the basis of simple models. We also compute the intrinsic SOT induced by electrical and thermal currents within the full potential linearized augmented plane-wave method.Motivated by recent experimental works, we then investigate the microscopic origin of the SOT in a Ag2Bi-terminated Ag film grown on ferromagnetic Fe(110). We find that the torque in that system can not be explained solely by the spin-orbit coupling in the Ag2Bi alloy, and instead results from the spin-orbit coupling in all regions ofthe film.Finally, we predict a large SOT in Fe/Ge bilayers and suggest that semiconductor substrates might be a promising alternative to heavy metals for the development of SOT-based magnetic random access memories. We show the strong dependence of the SOT on the stacking direction, thereby providing important guidelines for future experimental works. We also compute the sublattice-resolved SOTs in an antiferromagnetic Fe/Ge thin film and find a large anisotropy of the torkance tensor.
OpenAccess: 
PDF 
PDF (PDFA)
(additional files)
Dokumenttyp
Book/Dissertation / PhD Thesis
Format
print, online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT019256043
Interne Identnummern
RWTH-2017-02464
Datensatz-ID: 685712
Beteiligte Länder
Germany
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