Magnetismus auf der Nanometer-Skala

Magnetismus ist eines jener Gebiete der Materialwissenschaften in denen der "Entwurf" neuer Materialien mit für spezielle Anwendungen optimierten Eigenschaften gängige Praxis geworden ist. Beispiele für solche Entwicklungen sind amorphe weichmagnetische Materialien für Transformator-Kerne oder als magnetische Sensoren, neue hartmagnetische Materialien auf der Basis nitrogenierter intermetallischer Verbindungen, ultradünne magnetische Schichten mit vielen möglichen Anwendungen als magnetische oder magnetooptische Informationsspeicher, und nanokristalline Permanentmagnete. Für viele dieser Materialien zeigt es sich, daß die Charaktersisierung der Materialeigenschaft durch Laboratoriumsexperimente auf einer mikroskopischen Skala sehr schwierig oder gar ungenügend ist. Daher wird es zunehmen wichtig, die fehlende Information aus Computerexperimenten zu gewinnen. Dies erfordert die Entwicklung geeigneter "Werkzeuge". In unserer Arbeitsgruppe haben wir eine Reihe von Programmen entwickelt, die sich ausgezeichnet für diese Anwendungen eignen: * Tight-binding linear-muffin-tin-orbital Methoden im Ortsraum (RS-TB-LMTO) auf der Basis von Lokale-Spin- Dichte oder Hubbard Austausch-Mechanismen, die auch verschiedene Orientierungen der Spin-Quantisierungs- Achsen auf verschiedenen Gitterpunkten erlauben. * Tight-Binding Green`s-Funktions Techniken zur Berechnungen der bilinearen und biquadratischen Austausch- Paarwechselwirkungen in Magneten, an Oberflächen und in dünnen Schichten. Diese Methode überbrückt die Lücke zwischen der Energieband-Theorie des itineranten Magnetismus und klassischen Spin-Hamilton-Operatoren die als Basis für die Computer-Simulation magnetischer Phasenübergänge dienen. * Eine spinpolarisierte Version des Vienna ab-initio simulation programm VASP, basierend auf einer Basis ebener Wellen und ultraweichen Pseudopotentialen, die eine vollständige ab-initio Molekular-Dynamik magnetischer Systeme erlaubt. Diese Techniken wurden auf eine Reihe von Problemen angewandt, die von fundamentalem Interesse für die Physik magnetischer Materialien sind und auch zu technologischen Anwendungen führen können: * Nichtkollinearer Magnetismus in ungeordneten Materialien: amorphe Magnete, Spin-Gläser, ungeordnete Permanentmagnete, intermetallische Verbindungen mit besonders hohem Magnetowiderstand. * Magnetische Struktur und magnetische Anisotropie in Kristallen, an Oberflächen und in dünnen magnetischen Schichten. * Oberflächen- und Grenzflächen Phasenübergänge in dünnen magnetischen Schichten. * Magnetismus in quasikristallinen Legierungen. Wir schlagen eine Fortsetzung dieser Arbeiten vor, die sich auf folgende Aspekte konzentrieren soll: * Die weiter Entwicklung der zugrundeliegenden Methodik und der darauf basierenden Computercodes, mit dem Ziel, das Zusammenspiel struktureller und magnetischer Freiheitsgrade besser zu verstehen und auch eine noch genauere Beschreibung der magnetischen Anisotropie zu erreichen. * Die magnetische Struktur und Anisotropie dünner magnetischer Filme auf nichtmagentischen Substraten und in Vielschicht-Systemen mit nichtmagnetischen Zwischenschichten, mit einem Schwergewicht auf der Untersuchung einer möglichen Rekonstruktion der Oberflächen oder Grenzflächen und der Morphologie der Schichten. * Die magnetischen Eigenschaften antiferromagnetischer Schichten auf ferromagnetischen Substraten (oder auch umgekehrter Kombinationen) und von ferro/antiferromagnetischen Vielschicht-Systemen. Hier sollen sich die Untersuchungen auf den Einfluß der Frustration der magnetischen Austauschwechselwirkungen an der ferro/antiferromagnetischen Grenzfläche konzentrieren und die Bildung nichtkollinearer Spinstrukturen, magnetisch induzierter Rekonstruktionen der Oberflächen oder Grenzflächen, und der Bildung von Oberflächen- oder Grenzflächen-Legierungen konzentrieren. * Die magnetischen Eigenschaften teilweise ungeordneter Hart- und Permanentmagnete. * Die Eigenschaften Austausch-gekoppelter Hart- und Weichmagnete. * Die magnetische Struktur intermetallischer Verbindungen, die "Giant"- oder "Colossal"-Magnetowiderstand zeigen.