Mágneses kölcsönhatások és kémiai rendezetlenség komplex mágnesekben
Title in English
Magnetic interactions and chemical disorder in complex magnets
Keywords in Hungarian
mágneses rendezetlenség, kémiai rendezetlenség, mágneses kölcsönhatások
Keywords in English
magnetic disorder, chemical disorder, magnetic interactions
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics
Department or equivalent
Department of Theoretical Physics (Budapest University of Technology and Economics)
Starting date
2020-09-01
Closing date
2022-08-31
Funding (in million HUF)
16.826
FTE (full time equivalent)
1.60
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. A kutatóprojekt az itineráns mágnességnek a nemzetközi kutatás homlokterében lévő kifinomult jelenségeire koncentrál. A programkódunk továbbfejlesztésével a szokásos, bilineáris Heisenberg-modellen túli kölcsönhatások befolyását, a rövidtávú kémiai rendeződés mágnességre gyakorolt hatását és összetett mágneses szerkezettel rendelkező mesterséges nanorétegeket fogunk vizsgálni. A vizsgálataink tárgyát képező réteges heteroszerkezetek különösen érdekesek a spintronikai alkalmazások szempontjából. A skyrmionika megjelenésével világossá vált, hogy ezeket a komplex spinszerkezeteket nagyban befolyásolják, és akár ezek létrehozásáért is felelhetnek az elektronszerkezet ezen finomabb részletei. A fémes mágnesek leírására használt módszereink továbbfejlesztésével fenntarthatjuk fókuszunkat a lehetséges technológiai alkalmazások szempontjából fontos, újszerű anyagokon.
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 kutatóprojekt a mágneses anyagok elmélete és a spintronika kiemelten időszerű kérdésfelvetéseit célozza meg. A projekt alapkérdései a következők: (1) Mennyire fontos szerepet játszanak a magasabb rendű kétspin-kölcsönhatások és a többrácshely-kölcsönhatások a réteges heteroszerkezetek mágnességében? Hogyan hatnak ezek a korrekciók a spinspirálok és skyrmionok kialakulására? (2) Hogyan függ a Ni lokális momentumának kialakulása a környezetétől? Melyek az alapvető különbségek a mágnesesen rendezett és rendezetlen tömbi anyagban történő momentum-formáció között? (3) Mi a rövidtávú kémiai rend hatása mágneses felületek és határrétegek mágneses anizotrópiájára és kicserélődési kölcsönhatásaira? (4) A mágneses kölcsönhatások milyen optimális kombinációja vezet mesterséges heteroszerkezetekben komplex mágneses szerkezetek, például skyrmionok létrejöttéhez? Szükséges-e ezen jelenségek leírásához, hogy túlmenjünk a szokásos Heisenberg-spinmodell által szolgáltatott leíráson?
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! A kutatóprojekt az aktuális szilárdtestfizikai kutatások középpontjában álló anyagokat céloz meg. Nyomok tömkelege utal rá, hogy a funkcionális mágneses anyagok, és különösen a skyrmionok és más komplex mágneses spinszerkezetek létrejöttének kedvező rendszerek pontos leírásához kibővíteni szükséges a szokásos modelljeinket. A projektmunkában foglalt programfejlesztés nagyban kiterjeszti majd a jövőben általunk vizsgálható anyagok körét, és a konkrét rendszerekre történő alkalmazások bővíteni fogják ismereteinket azt illetően, hogy az ilyen látszólag apró jelenségek hogyan befolyásolják a rendeződést és a véges hőmérsékleti viselkedést komplex mágneses szerkezettel rendelkező anyagokban. Az általunk használt számítási keretrendszer ideális kétdimenziós transzlációs invarianciával rendelkező mesterséges réteges rendszerek modellezésére. Továbbá az általunk eleve használt módszerek kézenfekvően továbbfejleszthetőek, hogy megfeleljünk ezen aktuális anyagok által támasztott szükségleteknek. Az atomi rendezetlenség leírására szolgáló koherenspotenciál-közelítésre vonatkozó implementációnk kiegészíthető az átlagtérelméleten túli korrelációk figyelembevételével, és a spinmodell-paraméterek számítására általunk használt spinklaszter-kifejtés magától értetődően kiterjeszthető magasabb rendű kölcsönhatások származtatására. A kutatási terv megvalósítása biztosítani fogja kutatásunk továbbra is fennálló relevanciáját a nemzetközi kutatás színterén.
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 kutatóprojekt az elméleti és ipari szempontok alapján egyaránt a figyelem középpontjában álló mágneses nanoszerkezetek alapkutatásával foglalkozik. A komplex mágneses rendeződést és nemtriviális véges hőmérsékleti viselkedést mutató funkcionális mágneses anyagok kulcsfontosságúak a mágneses adattárolásra és mágneses memóriaként használt berendezések következő generációinak szempontjából, és az ezen rendszerek nagyléptékű mágneses viselkedését meghatározó jelenségek megértése elengedhetetlen, hogy végül konkrét ipari alkalmazásokban hasznosíthassuk őket. A számítási eszköztárunknak a kutatóprojektben foglalt továbbfejlesztése lehetővé teszi a vizsgálataink által elérhető anyagok körének kiterjesztését, és az érdekes rendszerekre ezt követően történő számítások fényt derítenek az ezen újszerű anyagok mágnességét meghatározó mechanizmusokra.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. The research project focuses on subtle phenomena pertaining to itinerant magnetism in the forefront of international research. By extending the capabilities of our code base we will investigate the effects of exchange interactions beyond the usual bilinear Heisenberg terms, short-range chemical order effects on magnetism, and artificial nanolayers with complex magnetic states. The target layered heterostructure systems are especially interesting from the point of view of spintronics. Since the advent of skyrmionics it has become clear that these complex spin structures can be greatly affected, if not brought about, by these kinds of subtler features of the electronic structure. By improving our current description of metallic magnets we can maintain our focus on novel materials for potential technological applications.
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. The research project addresses highly current problems in the theory of magnetic materials and spintronics. The basic questions of the research project are the following: (1) How important are higher-order two-spin interactions and multi-site interactions in the magnetism of layered heterostructures? How do these corrections affect the formation of spin spirals and skyrmions? (2) How does the local moment formation of Ni depend on its environment? What are the substantial differences between moment formation in the magnetically ordered and disordered bulk? (3) What is the effect of chemical short-range order on the magnetic anisotropy and exchange interactions of magnetic surfaces and interfaces? (4) What is the optimal combination of magnetic interactions in artificial heterostructures that leads to the formation of complex spin structures such as skyrmions? Is it necessary to go beyond the usual Heisenberg spin Hamiltonian to describe these phenomena?
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. The research project targets materials in the center of current condensed matter research. It is in ample evidence that an accurate description of functional magnetic materials and especially systems favouring the creation of skyrmions and other complex spin structures necessitates the extension of our usual models. The code development involved in the project will greatly expand the range of systems we can address in the future, and the application to specific systems will further our overall understanding of how these seemingly minor effects influence ordering and finite-temperature behaviour in magnets with complex magnetic structures. The computational framework we use is ideal for modeling artificial layered structures with two-dimensional translation invariance. Furthermore, we are already using methodology that can be straightforwardly improved to meet the requirements posed by these current materials. Our implementation of the coherent potential approximation for the description of atomic disorder can be extended with correlations beyond the mean-field approximation, and the spin-cluster expansion we use to compute spin model parameters lends itself to generalization to higher-order interactions. Performing the research plan will ensure the ongoing relevance of our research in the international research scene.
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. The research project pertains to basic research of magnetic nanostructures in the center of attention both from a theoretical and from an industrial viewpoint. Functional magnetic materials showing complex magnetic ordering and non-trivial finite-temperature behaviour have crucial importance in the next generations of magnetic storage and magnetic memory devices, and understanding the underlying phenomena that determine the large-scale behaviour of these materials is paramount to ultimately tailoring them to specific industrial applications. The research project entails the development of our computational toolset enabling us to extend the range of materials accessible to our investigations, and subsequent calculations of systems of interest will help us shed more light on the mechanisms governing magnetism in these novel materials.
Final report
Results in Hungarian
A kutatási projekt célja komplex mágneses szerkezettel rendelkező és a modern spintronikai alkalmazások szempontjából releváns anyagok és azok mágnességét meghatározó folyamatok jobb megértése. Elméleti és kísérleti csoportokkal történő nemzetközi kollaborációkon keresztül összetett rendszerek bonyolult viselkedésére is többszintű modelleket tudtunk felállítani. Megvizsgáltuk a DyCo5 ritkaföldfém-kobalt ferrimágnes ultragyors dinamikáját, felfedve, hogy a két mágneses alrács drasztikusan különböző spin-pálya csatolása miatt markánsan különböző Gilbert-féle csillapodási tényező írja le ezek relaxációját. Ir/Co/Pt multiréteg rendszerekben feltérképeztük a mágneses fázisokat, és a skyrmiongerjesztések véges hőmérsékleti fluktuációit. Az antiferromágneses spintronikai alkalmazások miatt releváns hematit esetén egy egyszerűsített modellre alapozva megvizsgáltuk a spin Seebeck effektus jelentőségét az antiferromágneses magnontranszport szempontjából, és realisztikus spinmodellt származtattunk első elvekből történő számolásokkal. Az ugyancsak antiferromágneses spintronikai alkalmazások miatt jelentős Mn2Au rendszerre az elektromosan indukált mágneses momentumok figyelembe vételével vizsgáltuk az átfordulási dinamikát, és azt találtuk, hogy csak termikus gerjesztésekkel léphető át a releváns energiagát. Feltérképeztük az itineráns antiferromágneses CrB2 mágneses kölcsönhatásait is, és a spinspirál alapállapot kialakulásának okaként a mágneses kölcsönhatások frusztrációját találtuk.
Results in English
The goal of the research project was to better understand the processes governing the magnetism of materials with complex magnetic structures and of high relevance for modern spintronics applications. Through international collaborations with theoretical and experimental research groups we could provide multiscale models to describe the complex behaviour of complicated systems. We investigated the ultrafast dynamics of the rare earth-cobalt ferrimagnet DyCo5, revealing that the two magnetic sublattices have markedly different damping parameters due to their drastically different spin-orbit coupling strength. We explored the magnetic phases and the finite-temperature fluctuations of skyrmion excitations in Ir/Co/Pt multilayer systems. We investigated the significance of the spin Seebeck effect in the antiferromagnetic magnon transport of hematite, important for antiferromagnetic spintronics applications, and provided a realistic spin model from first-principles calculations. For the Mn2Au system, likewise important for antiferromagnetic spintronics applications, we explored the switching dynamics based on a model including the electrically induced magnetic moments, and we found that thermal excitations are necessary in order to overcome the relevant energy barrier. We also mapped out the magnetic interactions of the itinerant antiferromagnet CrB2, and found that the reason for the spin spiral ground state is the strong frustration of the magnetic exchange interactions.
