Spin-Selektiver Quantentransport durch Grenzschichten

Der Riesen-Magnetowiderstand (giant magneto-resistance - GMR) und der Tunnelmagnetowiderstand (TMR) sind zwei der wohl besten Beispiele fuer das Potenzial von Spintronik zur Realisierung von neuartigen schnellen und niederenergetischen Bauelementen. Vorangetrieben durch potentielle technologische Anwendungen ist die Spintronik in der Tat zu einem florierenden Forschungsgebiet geworden, das sich schnell zu einem der heissesten Themen in der aktuellen Festkoerperphysik entwickelt hat. Sie bietet gleichermassen neue Probleme fuer die Elektronentransportphysik, die Kurzzeitspektroskopie und den Nanomagnetismus. Waehrend traditionelle Bauelemente hauptsaechlich auf ein oder zwei Material-klassen basieren, wie etwa auf Halbleiter und Oxiden in den herkoemmlichen elektronischen Bauelementen, oder Supraleitern und Isolatoren in den SQUIDS, basieren Spintronikeffekte auf Nanostrukturen, die im Allgemeinen mit Materialien synthetisiert werden, die sich in betraechtlichem Ausmass in ihren Wirtseigenschaften unterscheiden. Typisch sind Kombinationen aus nicht- magnetischen Schichten (Halbleiter, Isolatoren und Metalle) und magnetischen Schichten (halbmagnetische Halbleiter, Ferromagnete, halbmetallische Ferromagnete und/oder Antiferromagnete). Ein fundiertes Verstaendnis des Verhaltens des Spinfreiheitsgrades der fuer den Spintransport verantwortlichen Teilchen (Transportelektronen und -Loecher) an Graenzflaechen ist folglich auch eine der wesentlichen Vorbedingungen fuer ein mikroskopisches Verstaendnis der grundlegenden Prozesse der Spintronik, wie TMR, GMR, Spin-Drehmomentseffekte und insbesondere der Spininjektion in Halbleiter. In diesem Projekt schlagen wir eine theoretische Studie ueber Spin-sensitiven Transport durch Grenzflaechen zwischen Halbleitern,halb-magnetischen Halbleitern, Isolatoren und (halbmetallischen) Ferromagneten vor. Wir entwickeln dazu eine Theorie, die elektronische Strukturrechnungen mit Quantentransportrechnungen auf Green`s- Funktionsbasis kombiniert. SelbstkonsistenteTransportmodelle von zunehmender Komplexitaet werden entwickelt und angewandt. Berechnungen der elektronischen Struktur fuer halbmetallische Ferromagnete werden innerhalb der Lokalen Dichtenaeherung plus ``Dynamical Mean-Field Theory`` (LDA+DMFT)durchgefuehrt. Letztere stellen einen Input fuer weitere Transportrechnungen bereit. Insbesondere wird der Band-Versatz zwischen den verschiedenen Materialien und die Selbstenergie fuer die Transportrechnungen berechnet. Ein zweiter Teil an Arbeit, der parallel ausgefuehrt wird, untersucht mikroskopisch Limitationen der schnellen Magnetisierungsumschaltung durch Spin-polarisierte elektrische Stroeme durch Grenzflaechen, sowie den inversen Faraday-Effekt. Das Spindrehmoment erlaubt eine Umpolung von Magnetisierung durch Spin-polarisierte elektrische Stroeme. Fuer ausgewaehlte Strukturen entwickeln wir ein Modell fuer diesen Effekt und ermitteln optimale Stromprofile innerhalb einer zeitabhaengigen Optimierungstheorie, wie sie in unserer Gruppe entwickelt wurde. Schliesslich erforschen wir theoretisch die Optimierung von ultraschneller rein optischer Manipulation der Magnetisierung in Antiferromagneten. Die vorgeschlagene Arbeit ist eine Zusammenarbeit innerhalb des neulich etablierten Projektes NAWI Graz zwischen der Universitaet Graz und Graz Technische Hochschule (TU Graz). Sie verbindet Sachkenntnisse in Quantentransporttheorie der Uni-Partner mit denen der TUPartner in der Berechnung elektronischer Struktur hochkorrelierter Systeme.

Spintronik ist ein relativ neues Gebiet der Physik, in dem anstatt der Ladung der Spinfreiheitsgrad der Elektronen im Zentrum der Betrachtung steht. Fortschritte in den Materialwissenschaften und Anforderungen in der Technik (z.B. Miniaturisierung, niedrige Kosten gepaart mit Energieeffizienz) haben das Potenzial des Spins für neue elektronische Bauelemente zum Forschungsschwerpunkt werden lassen. Es gibt mehrere Themenschwerpunkte, wie die Kopplung von Spin und Ladung, Datenspeicherung in Spinsystemen, sowie die Generierung und Verwendung Spin-polarisierter Ströme. In diesem Projekt haben wir uns auf einige dieser Fragen bei sehr spezifische Materialsystemen konzentriert: Heterostrukturen bestehend aus nichtmagnetischen und magnetischen Halbleitern, Halbmetallen und / oder (metallischen) Ferromagneten. Heterostrukturen sind Hybrid-Nanostrukturen, die in bestimmter Kombination zu neuen Materialeigenschaften führen können. Diese entstehen häufig durch Quanteneffekte. In diesem Projekt haben wir unsere theoretischen Untersuchungen hauptsächlich an Heterostrukturen bestehend aus GaAs, AlGaAs, CrAs, MnAs und deren Legierungen ausgeführt, aber auch an normal - ferromagnetischen Metallheterostrukturen. Es wurden in sich konsistente theoretische Modelle entwickelt, um Spinselektivität beim Transport durch AlGaAs / GaMnAs und GaAs / CrAs Heterostrukturen zu berechnen. Im Hauptteil dieses Projektes haben wir die Dynamik ferromagnetischer Ordnung in GaMnAs Quantentöpfen und ihre Bedeutung für die Strom-Spannungs-Kennlinien untersucht, insbesonders im Hinblick auf ihre Spinpolarisation. Wir fanden, dass Kontrolle der ferromagnetischen Ordnung bei sehr hohen Lochkonzentrationen möglich ist, diese aber auch durch (substitutionelle) Verunordnung im GaMnAs betroffen ist. Dieses Modell erklärt experimentelle Arbeiten, die eine Abwesenheit von negativ-differentiellem Widerstand und Austauschaufspaltung im System unter Vorspannung berichten. Starke Spinpolarisation von (fcc - GaAs) / CrAs Heterostrukturen, die sogar bis zu Raumtemperatur fortbestehen kann, wird vorhergesagt. Unsere Berechnungen zeigen, dass solche Heterostrukturen (in einem metastabilen Zustand) existieren sollten, jedoch blieben Experimente diesbezüglich bisher strittig. Im Rahmen dieses Projekts wurden auch ein theoretisches Modell für Spin-Transfer in metallischen Heterostrukturen im diffusiven Transportregime, eine grundlegende Theorie von Quantensubsystemen bis zum spin-selektiven Boltzmann Transport, sowie ein variationaler Cluster-Zugang für stark korrelierte Vielteilchensysteme im Nichtgleichgewicht entwickelt.