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Autor(en): Seib, Jonas
Titel: Elektronentheorie der dissipativen Magnetisierungsdynamik : anisotrope und nichtlokale Effekte
Sonstige Titel: Electron theory of dissipative magnetization dynamics : anisotropic and nonlocal effects
Erscheinungsdatum: 2010
Dokumentart: Dissertation
URI: http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bsz:93-opus-57853
http://elib.uni-stuttgart.de/handle/11682/5018
http://dx.doi.org/10.18419/opus-5001
Zusammenfassung: Das Verständnis der dissipativen Magnetisierungsdynamik spielt eine Schlüsselrolle bei der Entwicklung zukünftiger Datenverarbeitungs- und Speichertechnologien auf magnetischer Basis. Mikromagnetische Simulationen dynamischer magnetischer Systeme basieren meist auf der Gilbertgleichung, die Relaxationsprozesse durch einen Dämpfungsterm mit phänomenologischem Dämpfungsskalar beschreibt. In der vorliegenden Arbeit werden Modelle vorgestellt, diskutiert und erweitert, die den mikroskopischen Dämpfungsmechanismus durch Anregung und Relaxation von Elektron-Loch-Paaren beschreiben. Während die Anregung der Elektron-Loch-Paare durch Größen beschrieben wird, die mit der ab-initio Spin-Dichte-Funktional-Theorie berechnet werden können, werden die Relaxationsprozesse durch eine phänomenologische Relaxationszeit behandelt. Es werden dissipative Bewegungsgleichungen für die Dynamik magnetisch kollinearer und nichtkollinearer Systeme abgeleitet und diskutiert. In kollinearen Systemen enthält der Dämpfungsterm eine im Allgemeinen von der Richtung der Magnetisierung abhängige Dämpfungsmatrix. Damit treten prinzipiell zwei Arten der Anisotropie, die "rotational" und die "orientational" Anisotropie auf. Es wird gezeigt, dass in der Ferromagnetischen Resonanz, über die Linienbreite der absorbierten Leistung, nur die "orientational" Anisotropie eines effektiven Dämpfungsskalars beobachtbar ist. Die "rotational" Anisotropie wird ausgeschmiert. In den 3d-Übergangsmetallen Fe, Co und Ni zeigen numerische Untersuchungen, dass beide Arten der Anisotropie nur bei kleinen Streuraten vorhanden sind und beim Übergang zu großen Streuraten verschwinden. Im Seltenerdmetall Gd werden die Anisotropien der Dämpfungsmatrix, die auf das magnetische Moment der Valenzelektronen wirkt, numerisch untersucht und ein ähnlicher Grad der Anisotropie wie in Co festgestellt. Außerdem wird der Beitrag dieser Dämpfung zur Dämpfung des Moments der 4f-Elektronen, vermittelt durch die Austausch-Wechselwirkung, bestimmt. Die für nichtkollineare Systeme abgeleitete Bewegungsgleichung enthält einen nichtlokalen Dämpfungsterm. Die Dämpfungsmatrizen werden hier von der vergleichsweise starken Austausch-Wechselwirkung dominiert, während sie in kollinearen Systemen von der sehr viel schwächeren Spin-Bahn-Kopplung bestimmt sind. In zwei einfachen nichtkollinearen Modellsystemen werden die Eigenschaften der Dämpfungsmatrizen numerisch untersucht. Es wird ein betragsmäßiger Anstieg der Dämpfungsparameter mit dem Grad der Nichtkollinearität festgestellt. Im Vergleich zu kollinearen Systemen sind diese betragsmäßig um eine bis mehrere Größenordnungen größer, wobei die tatsächlich auftretenden effektiven Dämpfungseffekte stark von der Relativdynamik abhängen. Eine abfallende Stärke der Nichtlokalität wird bei wachsendem Abstand in einem der Modellsysteme festgestellt.
Understanding dissipative magnetization dynamics represents a key role in the future development of magnetic data storage and processing devices. Micromagnetic simulations of dynamic magnetic systems are commonly based on Gilbert's equation. There, relaxation processes are described by a damping term including a phenomenological damping scalar. A microscopic mechanism, which causes magnetic damping, is the excitation and relaxation of electron-hole pairs. In the present thesis, models which describe this mechanism are presented, discussed and extended. The excitation of electron-hole pairs is treated by the ab-initio spin density functional theory, whereas the relaxation processes are described by a phenomenological relaxation time. Dissipative equations of motion for magnetic collinear and noncollinear systems are derived and discussed. In collinear systems, the damping term includes a damping matrix, which depends in general on the direction of the magnetization. So, there occur two types of anisotropy in principle, the rotational and the orientational anisotropy. It is derived, that only the orientational anisotropy of an effective damping scalar is observable by the linewidth of a ferromagnetic resonance experiment. The rotational anisotropy is smeared out. Numerical investigations for the 3d transition metals Fe, Co and Ni show that both types of anisotropy are only present for small scattering rates and disappear for high scattering rates. In the rare earth metal Gd, the anisotropies of the damping matrix, which acts on the valence magnetic moment are investigated numerically. A similar degree of anisotropy as in Co is found. Additionally, the contribution to the damping of the magnetic moment of the 4f electrons, mediated by the exchange interaction, is determined. The equation of motion, which is derived for noncollinear systems, includes a nonlocal damping term. The damping matrices are dominated by the strong exchange interaction, whereas in collinear systems they are determined by spin orbit coupling. In two simple noncollinear model systems, the properties of the damping matrices are investigated numerically. The magnitude of the damping parameters increases with increasing degree of noncollinearity. Compared to collinear systems, they are one or more orders of magnitude larger, whereas the actually occurring effective damping depends on the relative dynamics. The strength of nonlocality decreases with increasing distance in one of the model systems.
Enthalten in den Sammlungen:08 Fakultät Mathematik und Physik

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