Theoretical study of complex magnetic states in thin films  Page description

Help  Print 
Back »
 

Details of project

  
Identifier
120917
Type PD
Principal investigator Simon, Eszter
Title in Hungarian Vékony rétegek komplex mágneses szerkezetének elméleti vizsgálata
Title in English Theoretical study of complex magnetic states in thin films
Keywords in Hungarian mágnessség, vékony réteg, kölcsönhatás
Keywords in English magnetism, thin films, interaction
Discipline
Physics (Council of Physical Sciences)100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel Physics 1
Department or equivalent Department of Theoretical Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date 2017-01-01
Closing date 2019-12-31
Funding (in million HUF) 15.264
FTE (full time equivalent) 2.10
state closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára
Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára.
Pályázatomban mágneses vékony rétegek és multirétegek számítógépes tanulmányozását tűztem ki célul. Kétdimenziós rendszerekben az inverziós szimmetria sérülése folytán a Dzyaloshinskii-Moriya kölcsönhatás mindig jelen van, ezáltal különböző komplex mágneses szerkezetek alakulhatnak ki. Munkám során a kicserélődési kölcsönhatások szerepét vizsgálom és azok felhasználásával spin-dinamika szimulációkat végzek a spinstruktúrák alapállapotának és véges hőmérsékleti tulajdonságainak meghatározására. További célkitűzéseim között pedig szerepel egy olyan önkonzisztens spin-spirál módszer implementálása a többszörös szórás Green-függvényes programcsomagunkba, amellyel lehetővé válna az indukált momentumok figyelembevétele.

Mi a kutatás alapkérdése?
Ebben a részben írja le röviden, hogy mi a kutatás segítségével megválaszolni kívánt probléma, mi a kutatás kiinduló hipotézise, milyen kérdéseket válaszolnak meg a kísérletek.
A jelen pályázatban a megválaszolandó kulcskérdések a következőek:
(1) Mi a szerepe a Dzyaloshinskii-Moriya kölcsönhatásnak a skyrmionok, valamint a domén falak kialakulásában?
(2) Hogyan változnak a spin-modell paraméterek a vékonyrétegek és multirétegek ötvözésével?
(3) Alkalmas leírást ad-e a spin-spirál számolás az indukált momentumok figyelembe vételére a többszörös szórás elméletén belül?

Mi a kutatás jelentősége?
Röviden írja le, milyen új perspektívát nyitnak az alapkutatásban az elért eredmények, milyen társadalmi hasznosíthatóságnak teremtik meg a tudományos alapját. Mutassa be, hogy a megpályázott kutatási területen lévő hazai és a nemzetközi versenytársaihoz képest melyek az egyediségei és erősségei a pályázatának!
Az első elveken alapuló, modern numerikus módszerekkel végzett számolások alapvető jelentőségűek a mágneses jelenségek tanulmányozásában. Ezek a számítások elősegítik a mágneses vékony rétegekben kialakuló különböző spinszerkezetek, mint például a mágneses skyrmionok kialakulásának részletesebb megértését. Ezen felül hozzájárulhatnak új, nagyobb funkcionalitású rendszerek tervezéséhez Az önkonzisztens spin-spirál módszernek a többszörös szórás kódba történő implementálásával lehetővé válik a kicserélődési kölcsönhatások számítása kémiailag rendezetlen vékony rétegekben longitudinális spin-fluktuációk figyelembevételével, amely a kísérleti eredményekkel való jobb összevetést eredményezheti.

A kutatás összefoglalója, célkitűzései laikusok számára
Ebben a fejezetben írja le a kutatás fő célkitűzéseit alapműveltséggel rendelkező laikusok számára. Ez az összefoglaló a döntéshozók, a média, illetve az érdeklődők tájékoztatása szempontjából különösen fontos az NKFI Hivatal számára.
A mágneses vékony rétegekben és multirétegekben kialakuló mágneses szerkezetek a jelen és jövő számos technológiai eszközeinek alkotóelemei. A nemrégiben felfedezett mágneses skyrmionok új távlatokat nyitnak a mágneses adattárolás fejlődésében. A jelen kutatási pályázat lehetőséget biztosít olyan mágneses vékony rétegek elméleti tanulmányozására, valamint elméleti módszerek fejlesztésére, amelyek az újszerű mágneses struktúrák mélyebb megértését segítik elő.
Summary
Summary of the research and its aims for experts
Describe the major aims of the research for experts.
The aim of my project is to investigate magnetic thin films and multilayers by using advanced computational methods. In two dimensional structures, due to the breaking of the inversion symmetry, the Dzyaloshinskii-Moriya interaction is always present and several different complex magnetic states can be formed. I am going to study the exchange interactions and use them in spin-dynamics simulations to explore the ground state and finite temperature behaviour of these spin-textures. Furthermore, I plan to implement a self-consistent spin-spiral method into our multiple scattering Green-function code which enables to take into account the longitudinal fluctuations of the moments.

What is the major research question?
Describe here briefly the problem to be solved by the research, the starting hypothesis, and the questions addressed by the experiments.
In the proposed project the key points to answer are as follows:
(1) What is the role of Dzyaloshinskii-Moriya interaction in the formation of the skyrmions and the domain walls?
(2) How do the spin model parameters change with alloying in thin films and multilayers?
(3) Is the spin-spiral calculation accurate enough to describe the longitudinal fluctuation within the multiple scattering theory?

What is the significance of the research?
Describe the new perspectives opened by the results achieved, including the scientific basics of potential societal applications. Please describe the unique strengths of your proposal in comparison to your domestic and international competitors in the given field.
Advanced numerical calculations based on first principles methods are of particular importance in the study of magnetic phenomenon. These calculations help to understand the formation of spin textures in thin films, such as magnetic skyrmions. In addition, they can help to design systems with improved functionality. The self-consistent spin-spiral method implemented with the multiple scattering method provides possibility to calculate exchange interactions in presence of chemical disorder taking into account the longitudinal spin-fluctuations which can give better comparison with experiment.

Summary and aims of the research for the public
Describe here the major aims of the research for an audience with average background information. This summary is especially important for NRDI Office in order to inform decision-makers, media, and others.
Magnetic structures in thin films and multilayers are promising components of current and future technological applications. The recently obtained magnetic skyrmions pave the way to improve magnetic data recording. The present project contains systematic studies of thin magnetic films and develops theoretical methods which help to understand novel types of magnetic structures.




 

Final report

  
Results in Hungarian
A jelen pályázat főbb célkitűzése az volt, hogy megértsük a mágneses vékony rétegekben kialakuló mágneses struktúrák és az elektron-szerkezet kapcsolatát numerikus számolások segítségével. A munka során különféle mágnes rendszereket tanulmányoztunk. Megvizsgáltuk metastabil skyrmion rendszerek topológiáját, valamint rámutattunk, hogy Fe/Ni2MnAl és Fe/MnN határfelületeken, spintronikai alkalmazás szempontjából érdekes, úgynevezett exchange-bias jelenség alakulhat ki. Szisztematikus számítássorozat segítségével vizsgáltuk a mágneses kölcsönhatások változását Co/Pt(111) rendszerben különböző 5d fedőrétegek esetén, Ru/Co/Cu/Ru és Pt/Co/Cu/Ru multirétegekben a Co réteg vastagságának függvényében, valamint megmutattuk, hogy Ru-alapú Heusler ötvözetben a frusztrál mágneses kölcsönhatások a bi-kvadratikus csatolások együttesen nem-kollineáris mágneses alapállapotot eredményeznek. Az elméleti számolások mellet egy spin-spirál módszeren alapuló numerikus eljárást is kifejlesztettünk, amelynek segítségével még részletesebb információt kaptunk a mágneses csatolások rétegenkénti változásáról. Ezt az újonnan kifejlesztett mószert sikeresen alkalmaztuk vékony film rendszerekre és multi-réteg struktúrákra.
Results in English
The main purpose of this present proposal was to understand the connection the complex magnetic structures with the electronic structure using numerical calculations. During the project, we investigated various magnetic systems. We obtained the topology of metastable magnetic skyrmions, as well as we have shown that exchange bias effect can be formed in case of Fe/Ni2MnAl and Fe/MnN system, which is important for spintronic applications. Using by systematic calculations, we investigated the change of magnetic interactions in Co/Pt(111) with a capping monolayer of selected 5d elements, in Ru/Co/Cu/Ru and Pt/Co/Cu/Ru multilayers for different Co layer thicknesses and it was shown that in Ru-based Heusler alloys, the frustration interactions with the biquadratic couplings lead to non-collinear magnetic ground state. Beyond the numerical investigations we developed a numerical calculation method based on the spin-spiral formalism to found detailed information about the layer dependent magnetic interactions. We used successfully this newly developed technique for thin films and multilayers structures.
Full text https://www.otka-palyazat.hu/download.php?type=zarobeszamolo&projektid=120917
Decision
Yes





 

List of publications

  
Hirohata A,Huminiuc T,Sinclair J,Wu HKF,Samiepour M,Vallejo-Fernandez G,O'Grady K,Balluf J,Meinert M,Reiss G,Simon E,Khmelevskyi S,Szunyogh L,Diaz RY,Nowak U,Tsuchiya T,Sugiyama T,Kubota T,Takanashi K,Inami N,Ono K: Development of antiferromagnetic Heusler alloys for the replacement of iridium as a critically raw material, JOURNAL OF PHYSICS D-APPLIED PHYSICS 50: (43), 2017
Khmelevskyi Sergii,Simon Eszter,Szunyogh László,Mohn Peter: Microscopic origin of ferro-antiferromagnetic transition upon non-magnetic substitution in Ru2(Mn1−xVx)Ge full Heusler alloys, JOURNAL OF ALLOYS AND COMPOUNDS 692: pp. 178-182., 2017
Palotas K,Rozsa L,Simon E,Udvardi L,Szunyogh L: Spin-polarized scanning tunneling microscopy characteristics of skyrmionic spin structures exhibiting various topologies, PHYSICAL REVIEW B 96: (2), 2017
Rózsa L,Palotás K,Deák A,Simon E,Yanes R,Udvardi L,Szunyogh L,Nowak U: Formation and stability of metastable skyrmionic spin structures with various topologies in an ultrathin film, PHYSICAL REVIEW B 95: (9), 2017
Yanes R,Simon E,Keller S,Nagyfalusi B,Khmelevsky S,Szunyogh L,Nowak U: Interfacial exchange interactions and magnetism of Ni2MnAl/Fe bilayers, PHYSICAL REVIEW B 96: (6), 2017
Palotas K,Rozsa L,Simon E,Udvardi L,Szunyogh L: Spin-polarized scanning tunneling microscopy characteristics of skyrmionic spin structures exhibiting various topologies, PHYSICAL REVIEW B 96: (2), 2017
Rózsa L,Palotás K,Deák A,Simon E,Yanes R,Udvardi L,Szunyogh L,Nowak U: Formation and stability of metastable skyrmionic spin structures with various topologies in an ultrathin film, PHYSICAL REVIEW B 95: (9), 2017
Yanes R,Simon E,Keller S,Nagyfalusi B,Khmelevsky S,Szunyogh L,Nowak U: Interfacial exchange interactions and magnetism of Ni2MnAl/Fe bilayers, PHYSICAL REVIEW B 96: (6), 2017
E. Simon,R. Yanes,S. Khmelevskyi,K. Palotás,L. Szunyogh,U. Nowak: Magnetism and exchange-bias effect at the MnN/Fe interface, PHYSICAL REVIEW B 98: (9) pp. 094415-null., 2018
Simon E,Rozsa L,Palotas K,Szunyogh L: Magnetism of a Co monolayer on Pt(111) capped by overlayers of 5d elements: A spin-model study, PHYSICAL REVIEW B 97: (13), 2018
Eszter Simon, Andreas Donges, László Szunyogh, Ulrich Nowak: Non-collinear antiferromagnetic states in Ru-based Heusler compounds induced by biquadratic coupling, https://arxiv.org/abs/1912.10299, 2019
Simon E., Szunyogh L.: Spin-spiral formalism based on the multiple-scattering Green's function technique with applications to ultrathin magnetic films and multilayers, PHYSICAL REVIEW B 100: (13) 134428, 2019
T. Ščepka, P. Neilinger, A. S. Samardak, A. G. Kolesnikov, A. V. Ognev, A. V. Sadovnikov, V. A. Gubanov, S. A. Nikitov, K. Palotás, E. Simon, L. Szunyogh, J. Dérer, V. Cambel, M. Mruczkiewicz: Damping in Ru/Co-based multilayer films with large Dzyaloshinskii-Moriya interaction, https://arxiv.org/abs/1911.02467, 2019
Hirohata A, Huminiuc T, Sinclair J, Wu HKF, Samiepour M, Vallejo-Fernandez G, O'Grady K, Balluf J, Meinert M, Reiss G, Simon E, Khmelevskyi S, Szunyogh L, Diaz RY, Nowak U, Tsuchiya T, Sugiyama T, Kubota T, Takanashi K, Inami N, Ono K: Development of antiferromagnetic Heusler alloys for the replacement of iridium as a critically raw material, J PHYS D APPL PHYS 50: (43) , 2017
Palotas K, Rozsa L, Simon E, Udvardi L, Szunyogh L: Spin-polarized scanning tunneling microscopy characteristics of skyrmionic spin structures exhibiting various topologies, PHYS REV B 96: (2) , 2017
Rózsa L, Palotás K, Deák A, Simon E, Yanes R, Udvardi L, Szunyogh L, Nowak U: Formation and stability of metastable skyrmionic spin structures with various topologies in an ultrathin film, PHYS REV B 95: (9) , 2017
Yanes R, Simon E, Keller S, Nagyfalusi B, Khmelevsky S, Szunyogh L, Nowak U: Interfacial exchange interactions and magnetism of ${\mathrm{Ni}}_{2}\mathrm{MnAl}/\mathrm{Fe}$ bilayers, PHYS REV B 96: (6) 064435, 2017
Ener Semih,Fries Maximilian,Hammerath Franziska,Opahle Ingo,Simon Eszter,Fritsch Patrizia,Wurmehl Sabine,Zhang Hongbin,Gutfleisch Oliver: Magnetic and magnetocaloric properties of the Co2-xMnxB system by experiment and density functional theory, ACTA MATERIALIA 165: pp. 270-277., 2019
E. Simon,R. Yanes,S. Khmelevskyi,K. Palotás,L. Szunyogh,U. Nowak: Magnetism and exchange-bias effect at the MnN/Fe interface, PHYSICAL REVIEW B 98: (9) pp. 094415-null., 2018
Simon E,Rozsa L,Palotas K,Szunyogh L: Magnetism of a Co monolayer on Pt(111) capped by overlayers of 5d elements: A spin-model study, PHYSICAL REVIEW B 97: (13), 2018



Back »