4.1  A kutatás célja

Kutatási célunk a technológiai szempontból kiemelt jelentőségű mágneses jelenségek tanulmányozása nanorészecskékben és nanorétegekben.  Réteges heteroszerkezetekben a kicserélődési csatolás jelenségét, a mágneses vékonyrétegek spin-átfordulási fázisátmeneteit és a mágneses mintázatképződéseket, míg a felülethez csatolt nanorészecskékben a szuperparamágneses határ kontrollálhatóságát tanulmányozzuk. Vizsgálatainkat olyan többszintű módszerrel végezzük, melyben relativisztikus ab initio számításokkal egy spin-model paramétereit határozzuk meg, majd a rendszer mágneses folyamatait Monte-Carlo módszerrel és Langevin dinamika számolásokkal szimuláljuk. A jelenlegi spin-dinamika szimulációk vagy a mágneses rendszer alapállapotából, vagy pedig a paramágneses állapotból származtatott spin-modell paramétereket használnak. Ezek a paraméterek azonban sok esetben nem realisztikus a közbenső hőmérséklet tartományra, mivel nem veszik figyelembe az elektronszerkezet és mágneses momentumok nagyságának változását (longitudinális spin fluktuációkat) a hőmérséklet függvényében. Ezen probléma kezelésére tervezzük az ún. rendezetlen lokális momentumok módszerének kiterjesztését tetszőleges hőmérsékletre és  a spin-klaszter kifejtés megfelelő továbbfejlesztésével hőmérsékletfüggő spin-modell paraméterek számítását. Ugyancsak megoldandó feladat az indukált momentumok figyelembevétele a szimulációkban, ugyanis pl. az FePt vagy FeRh ötvözetekben a Pt ill. Rh atomok mágneses momentuma, következésképpen a mágneses kölcsönhatások az adott atom mágneses környezetétől függenek. Egy lehetséges módszer, melynek adaptálását megkezdtük, a kényszerített lokális sűrűségfunkcionál elméleten alapul. Célunk, hogy sikeresen leírjuk az  FeRh ötvözet antiferromágnes-ferromágnes átalakulását ill.  FePt és FeRh nanorendszerek mágneses tulajdonságait tanulmányozzuk.

Terveink között szerepel a pásztázó alagútmikroszkóppal végzett spin szelektív transzport elméleti leírása first principles módszerekkel, mely segítségével nem-kollineáris mágneses szerkezetek pásztázó alagútmikroszkópos detektálását tudjuk  modellezni. A különböző elektronpályákról (s, p, d) alagutazó elektronok hullámfüggvényének lecsengését azok térbeli lokalizáltságának függvényében vesszük figyelembe. Vizsgálandó az elektron kilépési munkájának hely- és irányfüggése a számolt elektrosztatikus potenciálból. A szimulált STM képeknek a szakirodalomban fellelhető kísérleti eredményekkel való összehasonlítása útján meghatározandó az optimális szimulációs módszer. Tapasztalatok szerint a tű geometriai és elektronszerkezetének nagy hatása van az STM felbontóképességére, pl. a vákuumkamrában található szennyező atomok ill. molekulák ultranagy mágneses vagy geometriai kontrasztot képesek létrehozni. Feladatunk különböző tűgeometriák tervezése és azok hatásának vizsgálata a szimulált STM képekre, pl. az elektronszerkezet összehasonlítása piramis, egy- és több-atomos tű-csúcs geometria esetén, különböző felületi orientációknál, valamint a minta és adszorbált atomok hatásának vizsgálata a tű elektronszerkezetére. Célunk minél nagyobb kontrasztú STM tű kifejlesztése.

4.2  Technikai leírás

A téma kutatásának hátterét a TTK Elméleti Fizika Tanszék és a Kondenzált Anyagok Fizikája MTA-BME Kutatócsoport biztosítja.  A doktori iskolában végzett kutatásokban egyformán szerepet kapnak a kísérleti és elméleti vizsgálatok. Az alapkutatási témák egyik legnagyobb erősségét jelenti ezek szoros kapcsolata: a kísérleti kutatók biztos elméleti háttérre támaszkodhatnak, az elméletiek pedig közvetlen kapcsolatba kerülnek azokkal a laboratóriumokkal, ahol a kísérleti megfigyelések történnek.

A vizsgált elméleti témák a kiemelkedően számításigényes tudományterületek közé tartoznak. A klaszter alapú szuperszámítógép aktív használatát tervezzük az alábbi területeken:

• Vékonyrétegek és nanostruktúrák mágneses szerkezetének számítása ab initio módszerekkel.
• Sűrűségfunkcionál, Hartree-Fock és post-Hartree-Fock ab-initio számítások molekulákra és kiterjedt rendszerekre (kristályok, felületek, klaszterek).
• Erősen korrelált rendszerek tulajdonságainak vizsgálata a renormálási csoport eljárás segítségével.

4.3  A várt eredmények összefoglalása

A nanorészecskék és nanorétegek mágneses jelenségek megértése, modellezése és a technológiai alkalmazások lehetőségeinek bővítése.

 Az elérni kívánt eredmények jelentősége és alkalmazásai

Ígéretes spintronikai eszközök kifejlesztése mellett eredményeink hozzájárulhatnak a korszerű anyagvizsgálati és nanotechnológiai eszközök kifejlesztéséhez is.

A doktori képzés szempontjából ezen túlmutató, jelentős eredményként jelenik meg a készülő disszertációk magas színvonalának folyamatos biztosítása. A Fizikai Tudományok Doktori Iskola a fokozatszerzés feltételéül előírja, hogy a hallgatónak legalább 4 angol nyelvű tudományos közleménye legyen, melyből 3 a „Web of Science” adatbázisban szereplő folyóiratban jelent meg, és ezek közül 2 első szerzős publikáció (további impakt-faktor elvárások, lásd: http://dept.phy.bme.hu/phd/index.htm). Ezzel iskolánk a fizikai tudományágú doktori iskolák között Magyarországon a legmagasabb követelményeket támasztja.

4.4  A tehetséggondozás formája a kutatások során

A tervezett kutatások során a doktoranduszok munkáját napi munkakapcsolat szintjén irányítják a témavezetők: a tehetséges hallgatók előtt egyéni fejlődési lehetőség nyílik meg. A hallgatók folyamatos visszajelzést kapnak szakmai előrehaladásukról a doktorandusz-beszámolók értékelése, valamint a doktori iskolán belüli szemináriumokon tartott előadásaik megvitatása során.

Nemzetközi együttműködéseinkre támaszkodva hallgatóink nívós külföldi intézményekben szerezhetnek tapasztalatokat. Előadói képességeiket nemzetközi konferenciákon való részvétellel fejleszthetik.

PROJEKT ELŐREHALADÁSI JELENTÉSEK

Időtartam: 2012. január 1. -  2012. június 30.

 Az atomi méretű kobalt nanokontaktuson keresztül kialakuló mágneses doménfalak elméleti vizsgálatáról szóló publikációt megírtuk és beküldtük a PRB folyóirathoz. [1] A cikket igen gyorsan elfogadták, megjelenése a közeljövőben várható. Ugyancsak beküldtük és azóta a PRB folyóiratban meg is jelent az a munkánk, melyben az arany felületére helyezett króm trimer nem-kollineáris mágneses szerkezetét tanulmányozzuk pásztázó alagútmikroszkópos (STM) szimulációs módszerrel. [2]

Az [1] cikkünkben kifejlesztett ab initio spin-dinamika eljárást alkalmazzuk felületi mágneses nanoklaszterek mágneses szerkezetének számítására. STM módszerünket kiterjesztettük pályafüggő alagutazás figyelembevételével és a vonatozó kézirat befejezés előtt áll. A relativisztikus Rendezetlen Lokális Momentum módszerrel intenzív számítássorozatot végzünk az FePt és FeRh ötvözetek hőmérsékletfüggő mágneses viselkedésének tanulmányozására.

 [1] Theoretical study of magnetic domain walls through a cobalt nanocontact, L. Balogh, K. Palotás, L. Udvardi, L. Szunyogh, U. Nowak, Phys. Rev. B (2012) arXiv:1205.4579

[2] Simulation of spin-polarized scanning tunneling spectroscopy on complex magnetic surfaces: Case of a Cr monolayer on Ag(111), K. Palotas, W. A. Hofer, and L. Szunyogh, Phys. Rev. B 85, 205427 (2012)

 A projekt hasznosulása

Horváth Bertalan sikerrel megvédte A nemegyensúlyi Anderson szennyező modell vizsgálata perturbatív térelméleti módszerekkel című PhD értekezését és fokozatot szerzett.

Pálmai Tamás sikerrel megvédte Methods of quantum mechanical inverse scattering theory at fixed energy című PhD értekezését és fokozatot szerzett.

 Időtartam: 2012. július 1. -  2012. december 31.

Platina szennyezők hatását vizsgáltuk hcp Co mágneses anizotrópia energiájára (MAE). Modellünkben a hcp rács egy síkjában változó koncentrációjú helyettesítéses ötvözést tekintettünk. Számításaink azt mutatták, hogy kicsiny Pt koncentráció csökkenti a MAE-t, míg magasabb koncentrációnál a MAE növekedését tapasztaltuk. Az eredmények részletes elemzése alapján a fenti változások a Pt atomok lokális, valamint a Co atomokon indukált MAE járulékok összjátéknak tulajdonítható. Ez utóbbi járulékot markáns hosszútávú Friedel oszcillációk jellemzik, mely szignifikánsan befolyásolhatja a nanoméretű minták mágneses energiáját [1].

Pásztázó alagút mikroszkóp (STM) elméletünket kiterjesztettük pályafüggő alagutazás figyelembevételével és egy W(110) felület konstans áramú STM képét analizáltuk, különös tekintettel az előforduló korrugáció jelenségére. Korábbi munkákkal összhangban azt találtuk, hogy a kontraszt inverziója függ az előfeszültségtől. Különböző tűmodelleket alkalmazva megfigyeltük, hogy a fenti jelenség érzékeny a tű elektronállapotainak pályakarakterére is [2].

A spin-polarizált STM-mel konstans áram kontúron mérhető alagútfeszültség-függő mágneses kontraszt kvantitatív becslésére tettünk elméleti és kísérleti javaslatot, valamint a tű elektronszerkezetének hatását vizsgáltuk a mágneses kontrasztra numerikus számításokkal [3]. A publikációt a Physical Review B folyóirathoz küldtük el.

[1] The effect of Pt impurity layers on the magnetocrystalline anisotropy of hexagonal close-packed Co: a first-principles study, C. J. Aas, K. Palotás, L. Szunyogh, R. W. Chantrell, J. Phys.: Condens. Matter 24, 406001 (2012)

[2] Orbital dependent electron tunneling within the atom superposition approach: Theory and application to W(110), K. Palotás, G. Mándi, and L. Szunyogh, Phys. Rev. B 86, 235415 (2012)

[3] Prediction of the bias voltage dependent magnetic contrast in spin-polarized scanning tunneling microscopy: K. Palotás, arXiv:1207.3995

 Kvantumösszefonódás elmélet

 Szalay Szilárd befejezte kvantumösszefonódás elmélet témájú doktori disszertációját. A dolgozat jelenleg házi védés előtti bírálás alatt van. A pályázat által nyújtott doktorjelölti finanszírozás jelentősen hozzájárult a dolgozat színvonalának emeléséhez. A dolgozat készítése közben több ötlet is felmerült, melyekben Szalay Szilárdnak részeredményeket sikerült elérnie. Megmutatta, hogy az összefonódási mértékek egy definiáló tulajdonsága az „összefonódási monotonitás”. Sikerült belátnia, hogy ilyen mértékek geometriai közepe is rendelkezik ezen tulajdonsággal. Érdekes lenne ezt általánosított közepekre is belátni, mert ezáltal az összefonódás elvont, mennyiségi jellemzése hangsúlyozottabb fizikai jelentést nyerne.

 A projekt hasznosulása:

Pálmai Tamás sikerrel megvédte Methods in quantum mechanical inverse scattering theory at fixed energy című PhD értekezését és fokozatot szerzett.

Időtartam: 2013. január 1. -  2013. június 30.

A FePt filmek mágneses anizotrópia energiájára (MAE) vonatkozó vizsgálatainkat kiterjesztettük a nem-sztöchiometrikus ötvözetekre és megmutattuk, hogy adott hosszútávú kémiai rendezetlenség mellett a MAE a vas koncentrációval növekszik. [1] Részletesen tanulmányoztuk a kicserélődési kölcsönhatások és a MAE változását Fe és FePt határfelületén. Az így kapott spin-modellt mezoszkopikus szimulációkban használtuk fel és megmutattuk, hogy a Fe/FePt határfelület egy doménfal mágnesezettség profiljában éles átmenetet idéz elő. [5] Ab initio számításokkal vizsgáltuk különböző rétegződési hibák hatását a hcp Co mágneses anizotrópiájára és a kísérletekkel összhangban azt találtuk, hogy az elszigetelt hibák általában csökkentik a mágneses anizotrópia energiát, valamint két közeli hiba kölcsönhatása következtében a MAE tovább csökken. [2]

Spin-dinamika szimulációkkal vizsgáltuk a kicserélődési eltolódás (exchange bias) jelenségét az IrMn/Co határfelületen. Az ehhez szükséges spin-modellt ab initio számításokból nyertük. Eredményeinkből egyértelműen azt a konklúziót lehetett levonni, hogy ebben a rendszerben az exchange bias jelensége a határfelületen fellépő Dzsalosinszkij-Moriya kölcsönhatás következménye. [5]

Az utóbbi időben nagy hangsúlyt fektettünk a mágneses kölcsönhatások hőmérsékletfüggésének vizsgálatára. Ennek fő oka a hőmérsékleti spin-fluktuációk következtében fellépő elektronszerkezet változásban keresendő. Innen következik annak szükségszerűsége, hogy a kicserélődési kölcsönhatásokat nem-kollineáris mágneses környezetben számoljuk. Újszerű elméleti és számítási fejlesztésünk segítségével sikerült kielégítően magyaráznunk a bcc vas magnon spektrumának ’termális lágyulását’. [4]

Pásztázó alagútmikroszkóp (STM) elméletünket kiterjesztettük tetszőleges tű-orientációra pályafüggő alagutazás figyelembevételével. A módszert a W(110) felület vizsgálatára alkalmaztuk, különös tekintettel az atomi kontrasztinverzió tű-orientáció függését tanulmányoztuk. Ezenkívül a módszer segítségével, kísérleti adatok felhasználásával javaslatot tettünk a legvalószínűbb tű-orientációra grafit(0001) felületen. STM kutatásainkat, amelyek részben a TÁMOP támogatásával valósultak meg, egy összefoglaló cikkben foglaltuk össze [6].

 Publikációk

[1] Effects of composition and chemical disorder on the magnetocrystalline anisotropy of Fe(x)Pt(1-x) alloys , C J Aas, L Szunyogh, and R W Chantrell, Europhysics Letters 102, 57004 (2013)

[2] Effect of stacking faults on the magnetocrystalline anisotropy of hcp Co: a first-principles study, C J Aas, L Szunyogh, R F L Evans, and R W Chantrell, rXiv:1304.1353

[3] Exchange coupling and magnetic anisotropy at Fe/FePt interfaces, C.J. Aas, P.J. Hasnip, R. Cuadrado, E.M. Plotnikova, L. Szunyogh, L. Udvardi, R.W. Chantrell, arXiv:1306.3642

[4] Interatomic exchange interactions in non-collinear magnets , A. Szilva, M. Costa, A. Bergman, L. Szunyogh, L. Nordström, and O. Eriksson, arXiv:1305.1477

[5] Exchange Bias driven by Dzyaloshinskii-Moriya interactions, R. Yanes, J. Jackson, L. Udvardi, L. Szunyogh and U. Nowak, arXiv:1305.2308

[6] Three-dimensional Wentzel-Kramers-Brillouin approach for the simulation of scanning tunneling microscopy and spectroscopy, K. Palotás, G. Mándi, and W. A. Hofer, Frontiers of Physics, elfogadva (2013).