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Elektronentheorie der dissipativen Magnetisierungsdynamik : anisotrope und nichtlokale Effekte
(2010) Seib, Jonas; Trebin, Hans-Rainer (Prof. Dr.)
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.