Konzorcium, társ p.: Mágnesség és szupravezetés fémes nanokompozitokban
Title in English
Consortional assoc.: Magnetism and superconductivity in intermetallic nanocomposites
Keywords in Hungarian
Szupravezető heteroszerkezetek eltronállapotok
Keywords in English
superconductor, heterostructures
Discipline
Solid-state Physics (Council of Physical Sciences)
100 %
Ortelius classification: Solid state physics
Panel
Physics
Department or equivalent
Theoretical Solid State Physics Department (Wigner Research Centre for Physics)
Participants
Cserti, József Nagyfalusi, Balázs Tüttő, István
Starting date
2015-09-01
Closing date
2020-08-31
Funding (in million HUF)
10.411
FTE (full time equivalent)
6.71
state
closed project
Summary in Hungarian
A kutatás összefoglalója, célkitűzései szakemberek számára Itt írja le a kutatás fő célkitűzéseit a témában jártas szakember számára. Projektünkkel a komplex funkcionális mágneses anyagok tervezésére irányuló nemzetközi kutatásokhoz kívánunk csatlakozni. Kutatásaink középpontjában nanomágnesség jelenségei és a nagysűrűségű mágneses adattárolás eszközei állnak. Ezek közé tartoznak a nagy ’exchange bias’ effektust mutató hibrid határfelületek és a potenciális adattároló mágneses nanoszerkezetek. Egyik kiemelt célkitűzésünk a hagyományos IrMn antiferromágnes helyettesítése Heusler ötvözetekkel a magnetorezisztív szenzorokban és merevlemezek olvasófejeiben. Kiterjedten tanulmányozunk olyan, a közelmúltban felfedezett komplex mágneses állapotokat ultravékony filmekben, mint a spin-spirálok és skyrmion rácsok, valamint a nanorészecskék szuperparamágneses viselkedését. Vizsgálatainkat relativisztikus ab initio számítási módszerekkel végezzük, amelyeket vagy közvetlenül kapcsolunk össze spin-dinamika szimulációkkal, vagy segítségükkel alkalmas spin-modelleket alkotunk. Pásztázó alagút mikroszkóp szimulációs kódokat fejlesztünk az alagút spin-áram atomi felbontású vizsgálatára komplex mágneses szerkezetekben. Kifejlesztünk egy programcsomagot a Bogoljubov – de Gennes egyenlet megoldására, mellyel a normál fém –szupravezető heteroszerkezetekben a proximity effektust és az Andreev kötött állapotokat tanulmányozzuk. Ezt a célkitűzésünket ígéretes spintronikai alkalmazások motiválják. Kutatásainkat kiterjesztjük a topológikus szupravezetőkre és különböző nem-konvencionális szupravezető heteroszerkezetekre. valamint vizsgáljuk a mágneses szennyezők szerepét is. Kutatásainkat széles nemzetközi együttműködés keretében végezzük, mely vezető kísérleti csoportokat is magában foglal.
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. Pályázatunk kutatási célkitűzései egyrészt az itineráns elektronrendszerek véges hőmérsékletű mágnességének alapvető módszertani kérdéseire, másrészt a technológia számára releváns anyagok vizsgálatára vonatkoznak. A megválaszolandó kulcskérdések az alábbiak: (1) Alkalmasak-e a spin-modellek a nanorendszerek (határfelületek, vékonyrétegek és nanorészecskék) komplex mágneses szerkezetének és mágneses dinamikájának leírására? Hogyan befolyásolják a hőmérsékleti spin-fluktuációk a spin-modell paramétereit? Mennyire jelentősek a több-spin kölcsönhatások és hogyan lehet azokat kiszámítani? (2) Milyen jelenségek megértéséhez jutunk közelebb a véges hőmérsékletű mágnesség ’tisztán’ ab initio leírására szolgáló relativisztikus Rendezetlen Lokális Momentum (RDLM) eljárás segítségével? Milyen korlátok között és milyen rendszerekre alkalmazható az ab initio spin-dinamika eljárás véges hőmérsékletű, valós idejű kiterjesztése? Milyen előnyökkel rendelkezik egy ilyen eljárás a spin-modell szimulációkkal szemben? (3) Milyen felbontási pontossággal reprodukálhatók komplex mágneses rendszerek kísérleti STM képei elméleti szimulációkkal és milyen információk nyerhetők az alagutazó vektor-spin formalizmus alapján? (4) Az Andreev szórás mikroszkopikus szintű tanulmányozása és a multiréteg heteroszerkezetek geometriai kényszereinek figyelembevétele szükségessé teszi a Bogoljubov-de Genne egyenlet megoldását első elvekből, a sűrűség funkcionál elmélet Kohn-Sham egyenletei alapján. Milyen következményei vannak a heterostruktúra kémiai összetételének (különböző fémek és ötvözetek), valamint geometriájának (kristálytani orientáció és rétegvastagságok), illetve a spin-pálya kölcsönhatásnak?
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! Projektünkben a mágneses jelenségek vizsgálatának új elméleti és számítási módszereit dolgozzuk ki, valamint a nagysűrűségű mágneses adattárolás technológia terén optimális rendszerekre teszünk javaslatot. Korszerű többszintű szimulációk segítségével az IrMn antiferromágnes helyettesítését tervezzük Heusler ötvözetekkel magnetorezisztív kontaktusokban. Ezek a számítások egyúttal elősegítik az ’exchange bias’ effektus alaposabb megértését réteges heterostruktúrákban. Mágneses nanorészecskéken végzett spin-modell és ab initio spin-dinamika szimulációkkal a szuperparamágneses határ kontrollálhatóságára nézve szerzünk új ismereteket. Kiemelkedő jelentőségűek lehetnek a mágneses nanorészecske hipertermiára vonatkozó vizsgálataink, mellyel az alternatív daganatkezelési eljárások tökéletesítéséhez járulhatunk hozzá. Ezen alapvető kutatási célokkal párhuzamosan több innovatív módszertani fejlesztést vezetünk be. Az önkonszisztens RDLM módszerrel a longitudinális spin-fluktuációkat vesszük figyelembe véges hőmérsékleten. A beágyazott klaszter programcsomagba implementált metadinamika eljárással a nanorészecskék mágneses anizotrópia energiájának hőmérsékletfüggését tudjuk kiszámítani. Újonnan kifejlesztett vektor-spin STM modellünk túlmutat a kísérletek jelenlegi szintjén és, reményeink szerint, eredményeink kísérleti kollégáinkat olyan spin-polarizált STM berendezések építésére ösztönzik, amelyekkel atomi felbontású vektor-spin mérések végezhetők. Az első elveken alapuló Bogoljubov-de Gennes egyenletek megoldására kifejlesztett új és egyedi számítógépes programunk lehetővé teszi az Andreev kötött állapotok számítását normál fém – szupravezető heteroszerkezetekben. Ennek segítségével a proximity effektust és a szupravezetés kritikus hőmérsékletének kísérletileg megfigyelt oszcillációit tanulmányozzuk a normál fém film vastagságának függvényében. Az új számítógépes program lehetővé teszi a mágneses szennyezők szerepének vizsgálatát valamint topológikus szupravezetők és nem-konvencionális szupravezetők multirétegeinek vizsgálatát is.
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 hibrid mágneses nanoszerkezetek (multirétegek, vékonyfilmek, nanorészecskék) a jelen és jövő számos technológiai eszközének alkotóelemei. A teljesség igénye nélkül ide tartoznak a mágneses szenzorok, az információtechnológia újszerű logikai egységei, a nagysűrűségű mágneses adattároló eszközök, a mágneses biológiai markerek és a mágneses hűtéstechnika. A korszerű piaci alkalmazások iránti folytonosan növekvő igény új, magas-funkcionalitású anyagok költséghatékony előállítását követeli meg. Példaként említjük a ritka-földfémek helyettesítésének szükségszerűségét állandó mágnesekben, vagy az irídium elem helyettesítését kereskedelmi antiferromágnesekben, mivel ezen elemek világpiaci ára az utóbbi években jelentősen megemelkedett. A mágneses nanorészecske hipertermia optimális tervezése a daganatos megbetegedések alternatív kezelésében jelenthet előrelépést. Konzorciumunk kutatási programja a szilárdtest mágnesség modern elméleti kutatási módszereinek fejlesztésére és alkalmazására irányul, melyek segítségével a fenti problémák megoldására új funkcionális anyagok felderítését tervezzük. A jelen OTKA pályázat kiváló lehetőséget biztosít arra, hogy a partnerintézmények folytassák tradicionális és sikeres együttműködésüket a modern anyagtudomány nagy kihívást jelentő területein. Ezek közé tartoznak a mágnesség és a fejlett technológiai anyagok szelektív tulajdonságai közötti kapcsolat vizsgálata vagy a szupravezető eszközök modern spintronikai alkalmazásai. A nemzetközi élvonalhoz tartozó kutatás mellett, OTKA pályázatunk egyúttal támogatja kiváló fiatal kutatók karrierjét hazánk modern számítógépes szilárdtest kutatási programjában.
Summary
Summary of the research and its aims for experts Describe the major aims of the research for experts. With this project we intend to contribute to the international research effort in designing composite magnetic structures of high functionality. We mainly focus on phenomena and materials related to high density magnetic recording like hybrid interfaces exhibiting large exchange bias and magnetic nanoparticles as potential storage units. A particular objective of our project is to search for an optimal Heusler alloy replacement of the commercial IrMn antiferromagnet in magnetoresistive sensors and read-heads. Furthermore, we will intensively study newly discovered complex magnetic states in ultrathin films such as spin-spirals and skyrmions, as well as the superparamagnetic behavior of magnetic nanoparticles. Our investigations are based on relativistic first principles computational methods, either merged directly with spin-dynamics simulations or used to produce parameters for suitable spin-models. We also develop high-resolution scanning tunneling microscopy simulation tools to investigate spin transport in tunnel junctions showing complex magnetism. Motivated by promising spintronics applications we develop computational tools for solving the Bogoliubov-de Gennes equations in order to study the proximity effect and Andreev bound states in normal metal-superconductor heterostructures. The code will also be used to investigate topological superconductors, the role of magnetic impurities, and various heterostructures with unconventional superconductivity. We carry out our project within a broad international cooperation comprising also leading experimental research groups.
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 proposed research addresses fundamental questions and methodological problems of ab initio based theories of finite temperature magnetism of itinerant electrons, as well as current problems related to technologically relevant devices. The key points to answer are as follows: (1) Are spin-models accurate enough to describe the complex magnetic states and magnetization dynamics of nanostructures (hybrid interfaces, nanoparticles)? What is the effect of the thermal spin-fluctuations to the spin-model parameters? How important are the multi-spin interactions and how to derive them? (2) What are the phenomena that can ultimately be explained in terms of the relativistic Disordered Local Moment (RDLM) scheme as a ‘truly’ ab initio theory of finite temperature magnetism? What are the limitations of the real-time and finite temperature ab initio spin-dynamics? What achievement can be gained against spin-models? (3) How accurately can experimental STM images of complex magnetic systems be reproduced by theoretical simulations and what information can be obtained from a vector spin tunneling formalism? (4) To study the Andreev scattering on a microscopic level and to take into account the geometrical constraints in multilayer heterostructures, it is inevitable to solve the Bogoliubov-de Gennes (BdG) equations based on the first-principles Kohn-Sham equations of the density functional theory. What are the effects of the chemical composition (different metals and alloys) and the surface geometry (crystallographic orientation, thickness of films) and spin-orbit coupling?
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. We expect that our project will deliver novel theoretical and computational tools to the investigation of magnetic phenomena, as well as predict improved systems serving as basis of high density magnetic recording technology. Based on advanced multi-scale simulations we are going to find a thermally stable functional replacement of IrMn by Heusler alloys in MR junctions, whilst we aim to achieve a deep-rooted theoretical understanding of the exchange bias phenomenon in layered heterostructures. Advanced spin-model and ab initio spin-dynamics studies will be performed to increase our knowledge on the controllability of the superparamagnetic limit of magnetic nanoparticles. Our investigations on the magnetic nanoparticle hyperthermia can have particular importance that can help to improve the alternative non-invasive tumor treatments. Related to these research goals, several methodological innovations will be introduced, e.g. a self-consistent RDLM scheme to include longitudinal spin-fluctuations at finite temperatures or metadynamics merged with the Embedded Cluster method to study the temperature dependence of the magnetic anisotropy energy of nanoparticles. Our vector spin STM model will beat the experimental state of the art and the results could inspire experimentalists to make an increased effort to build a spin-polarized STM equipment capable of vector spin measurements in atomic resolution. Based on first principles Bogoliubov-de Gennes equations we develop a novel and unique computer code which allows us to study the role of the Andreev bound states related to the proximity effect in normal metal-superconductor heterostructures and the experimentally observed changes of the superconducting critical temperature as a function of the normal metal thickness, to investigate topological superconductors, the role of magnetic impurities, and various heterostructures with unconventional superconductors.
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. Hybrid magnetic nanostructures (multilayers, thin films, nanoparticles) are widely used materials for current and future technologies related to magnetic sensors, logic devices in information technology, high-density data recording, biological makers and magnetic refrigeration. The continuous need for advanced commercial applications requires the exploration of novel materials that allow for high functionality and cost-effective production. Among others we highlight the demanding necessity to replace rare-earth elements in permanent magnets or Iridium in commercial antiferromagnets, since the price of these elements enormously increased during the past years. An optimal design of magnetic nanoparticle hyperthermia can lead to an improved non-invasive tumor treatment. Our consortium proposes a joint effort in developing and applying modern theoretical methods of magnetism in solid matter for the identification of new functional materials. This OTKA project provides a great opportunity to continue the long-lasting fruitful collaboration between the partner institutions to address challenging and prosperous fields in materials design, such as the role of magnetism in tailored properties of high-technology materials or employing superconductor devices for highly advanced spintronics applications. In addition to front-line research, this OTKA project will support the carrier of outstanding young scientists in the research of modern computational solid state physics of Hungary.
