Korrelationseffekte in halbmetallischen Ferromagneten

Die Spintronik ist ein neuer Bereich der Elektronik, in dem der Spin der Elektronen auf dem Nano- und Atombereich manipuliert wird. Spintronische Komponenten sind für die Verwendung in Quantencomputern und in der Quantenkommunikation vielversprechende Bauelemente. Daher erwartet man, dass die Spintronik die Perspektiven der Informationtechnologie in der Zukunft stark beeinflussen wird. Eine Klasse von Materialien, die für spintronische Anwendungen in Frage kommt, ist die der Halbmetallischen Ferromagnete (HMF). Dadurch, dass die Fermi-Energie der Elektronen in einer Spinrichtung in einem Gap liegt, ist prinzipiell der Strom in einem HMF vollständig spinpolarisiert, was beträchtliche Vorteile für eine Vielzahl von Anwendungen verspricht. Das vorliegende Forschungsprojekt dient der Entwicklung und Anwendung neuer theoretischer Techniken zur Erforschung von spintronischen Materialien, um ihr Niedertemperatur-Verhalten zu verstehen, sowie um zu technisch wichtigen Charakteristiken wie z.B. Multifunktionalität und einstellbare Eigenschaften zu gelangen. Realistische Vorhersagen für diese Materialien können aufgrund ihrer elektronischen Struktur mit Hilfe der Dichte- Funktionaltheorie in der lokalen Dichtenäherung, DFT-LDA, in Verbindung mit unterschiedlichen Vielteilchen- Nährungen, wie der "Dynamical-Mean-Field" Theorie (DMFT), gemacht werden. Um das Niedertemperatur- Verhalten zu charakterisieren, welches hauptsächlich durch magnetische Anregungen bestimmt wird, wird allerdings eine Theorie gebraucht, welche Nichtlokalitäten erfasst. Unter den bereits bekannten Techniken, welche DMFT weniger lokal machen, wurde kürzlich eine neue Methode eingeführt, die "Variational Cluster Perturbation Theory" (V-CPT), die wir im vorliegenden Projekt als schnelle und zuverlässige Lösung des Vielteilchenproblems in Zusammenhang mit dem DFT-LDA Verfahren implementieren werden. Im Anwendungsteil des Projektes werden wir hauptsächlich die Probleme der Polarisation bei endlichen Temperaturen, der magnetooptischen Eigenschaften und des Quantentransports in HMF Materialien angehen. Abgesehen von den neuen grundlegenden Erkenntnissen im Bereich der Materialwissenschaften werden die in diesem Projekt entwickelten Rechenmethoden quantitative Vorhersagen liefern, die notwendig sein werden, um zukünftige auf HMF basierende elektronische Komponenten zu entwerfen.

Das zentrale Problem in der Theorie der aus Uebergangsmetallen aufgebauten ferromagnetischen Materialien besteht in der Beruecksichtigung der starken Wechselwirkung der d-Orbital-Elektronen bei endlichen Temperaturen. Das gegenwaertige Projekt untersuchte die Eigenschaften halbmetallischer Ferromagnete bei endlichen Temperaturen. Diese Materialien zeigen spezielle elektronische und magnetische Eigenschaften: sie zeigen metallisches Verhalten fuer eine Spinorientierung und isolierende fuer die andere. Dieser Charakter macht sie besonders interessant fuer eine neuartige Klasse von Anwendungen, der sog. Spintronik. Das ist ein neuer Zweig der Elektronik, der nicht nur auf der Manipulation der Ladung, sondern auch auf der Manipulation des Spins beruht. Fuer diese Art von Materialien konnten wir zum ersten Mal zeigen, dass die Polarisierung ein voellig anderes Temperaturverhalten aufweist als die Magnetisierung. Dieses Ergebnis steht im Gegensatz zu dem, was man bisher ueber die meisten ferromagnetischen Materialien wusste. Wir untersuchten dieses Verhalten mittels einer neuen Methode, die eine realistische Beschreibung des Materials gemeinsam mit starken elektronischen Wechselwirkungen vereint. Dieser Zugang demonstriert den Einfluss der elektronischen Wechselwirkungen auf Materialeigenschaften: durch Beruecksichtigen dieser elektronischen Wechselwirkung aendern sich physikalische Eigenschaften drastisch. Im speziellen zeigten wir fuer verschiedene halbmetallische Ferromagneten, dass unter Beruecksichtigung dieser Wechselwirkungen sich die halbmetallische Energieluecke schliesst und die Spinpolarisierung an der Fermi- Energie dadurch verloren geht. Technologische Anwendungen benoetigen allerdings eine moeglichst grosse Spinpolarisierung. Das Verstehen des Einflusses dieser Vielteilchenwechselwirkungen in diesen Materialien erlaubte uns verschiedene Wege zu diskutieren, wie die Eigenschaften halbmetallischer Ferromagnete bei endlichen Temperaturen optimiert werden koennten. Die Strategie dabei war, den Einfluss von Verunreinigungen zu untersuchen, um mit diesen die negative Wirkung der elektronischen Wechselwirkungen auf die halbmetallische Energieluecke zu minimieren. Die Ergebnisse dieses Projekts umfassen quantitative und qualitative Vorhersagen in diese Richtung. Unsere theoretischen Arbeiten wurden durch Kollaboration mit experimentellen Gruppen unterstuetzt; diese zeigten die Existenz der Vielteilchenwechselwirkungszustaende mittels magnetic tunnel junction Spektroskopie. Weiters sind weitere experimentelle Arbeiten im Gange, die die Idee der Optimierung dieser Eigenschaften weiterentwickeln. Um die Anwendungen dieses Projekts auszuweiten, wurden auch Zwischenflaechen und Grenzflaechen in geschichteten Heterostrukturen untersucht; diese Arbeit wird auch im Rahmen verschiedener nachfolgender Projekte fortgesetzt.