Ballistic transport in one-dimensional magnetic nanojunctions:A first-principles Wannier function approach

Hardrat, Björn

The discovery of the giant magnetoresistance (GMR) effect by Grünberg and Fert initiated the field of spintronics, which holds high promise for future devices of high speed and low power consumption by not only utilizing the charge of the electron in an electronic device but also its spin degree of freedom. With the ongoing miniaturization to nano-scale structures, their size becomes eventually smaller than the mean free path of an electron. In this regime an electron is 'ballistically' transmitted through a nanocontact without changing its momentum or its energy due to inelastic scattering processes. The emerging effects, e.g. the quantization of conductance and spin-dependent transport phenomena, are of quantum mechanical nature. In this thesis, a novel theoretical approach is introduced to calculate quantum transport for such nano-scale spintronic systems. In accordance to the basic geometry of state-of-the-art experiments, based e.g. on the spin-polarized scanning tunneling microscope (SP-STM), those one-dimensional nanojunctions are treated as a scattering region connected to two macroscopic electrodes by leads. The electronic and magnetic properties of such a nanojunction are described by density functional theory (DFT) within the high-precision full-potential linearized augmented plane-wave (FLAPW) method, as implemented in the FLEUR code. The quantum transport calculations are performed within the Landauer formalism based on non-equilibrium Green's functions (NEGF) in the linear response regime for small bias voltages. Since the NEGF method relies on a localized basis set, Wannier functions (WFs) are used to map the electronic structure of the FLAPW calculations onto a tight-binding like Hamiltonian. They also provide a reliable framework to save a considerable amount of computational effort within the newly employed "locking-technique". The first important aspect studied with the novel transport code is the influence of spin-orbit coupling (SOC) on quantum transport. Due to SOC the magnetization direction can strongly influence the conductance, resulting in e.g. the ballistic anisotropic magnetoresistance (BAMR). SOC also allows electrons to switch between both spin-channels and, thus, can be responsible for spin-flip scattering processes. These effects are investigated for a magnetic Co impurity in a nonmagnetic Pt monowire and for a nonmagnetic Pt impurity in a ferromagnetic Co monowire. It is e.g. shown, that due to the presence of an impurity the BAMR which occurs for a perfect wire changes to the conventional anisotropic magnetoresistance (AMR). The second important aspect studied is the effect of complex non-collinear spin-structures on ballistic conductance, which is investigated in a nanojunction consisting of two semi-infinite ferromagnetic Co monowires with magnetic Mn apex atoms, brought from the tunneling- to the contact-regime. A stable non-collinear solution occurs in the contact regime due to competing exchange interactions, which results in distinctive fingerprints in the conductance or magnetoresistance.

Die Entdeckung des Riesenmagnetwiderstandes (engl. GMR) durch Grünberg und Fert begründete das Feld der Spintronik, das die Entwicklung von Bauteilen mit hohen Schaltraten bei niedrigem Energieverbrauch verspricht, da nicht nur die Ladung eines Elektrons, sondern zusätzlich auch dessen Spin-Freiheitsgrad berücksichtigt wird. Durch die fortwährende Miniaturisierung zu nanoskaligen Strukturen kann die Größe solcher Bauteile kleiner als die mittlere freie Weglänge eines Elektrons werden. In diesem Bereich passieren die Elektronen ein Bauteil "ballistisch", das heißt, ohne Änderung ihres Impulses oder ihrer Energie durch unelastische Streuprozesse. Die hierbei auftretenden Effekte, wie z.B. die Quantisierung des Leitwerts oder spinabhängige Transportphänomene, sind quantenmechanischem Ursprungs. In dieser Arbeit wird ein neuartiger, theoretischer Ansatz vorgestellt, um den Quantentransport durch solche nanoskaligen, spintronischen Systeme zu berechnen. In Übereinstimmung mit der grundlegenden Geometrie moderner Experimente, wie z.B. dem spinpolarisierten Rastertunnelmikroskop (SP-RTM, engl. SP-STM), werden eindimensionale Nanokontakte duch eine Streuregion beschrieben, die durch Zuleitungen mit zwei makroskopischen Elektroden verbunden ist. Die elektronischen und magnetischen Eigenschaften solch eines Nanokontakts werden anhand von Dichtefunktionaltheorie (DFT) mit der sehr präzisen Full-Potential Linearized Augmented Plane-Wave (engl. FLAPW) Methode in der Implementierung des FLEUR-Codes bestimmt. Der Quantentransport wird im Landauer-Formalismus mit Nichtgleichgewichtsgreensfunktionen (engl. NEGF) im Bereich der linearen Reaktion für kleine Biasspannungen berechnet. Da die NEGF Methode auf einem lokalisierten Basissatz beruht, werden Wannierfunktionen (engl. WFs) benutzt, um die elektronische Struktur der FLAPW-Rechnungen auf einen Tight-Binding-artigen Hamiltonoperator abzubilden. Wannierfunktionen bieten zudem zuverlässige Rahmenbedingungen, um den benötigten Rechenaufwand anhand der neuentwickelten "Locking-Technique" zu reduzieren. Der erste wichtige Aspekt, der mit der neuen Transportmethode untersucht wird, ist der Einfluss der Spin-Bahn Kopplung (engl. SOC) auf den Leitwert. Durch die Spin-Bahn Kopplung kann die Magnetisierungsrichtung den Leitwert stark beeinflussen, was z.B. im ballistischen anisotropen Magnetwiderstand (engl. BAMR) resultiert. Die Spin-Bahn Kopplung ermöglicht es Elektronen zudem, zwischen den Spin-Kanälen zu wechseln und kann daher Spin-Flip Streuprozesse hervorrufen. Diese Effekte werden anhand einer magnetischen Co Störstelle in einem nichtmagnetischen Pt Monodraht und einer nichtmagnetischen Pt Störstelle in einem ferromagnetischen Co Monodraht analysiert. Es wird z.B. gezeigt, dass der ballistische anisotrope Magnetwiderstand, der bei perfekten Drähten auftritt, durch eine Störstelle in den konventionellen anisotropen Magnetwiderstand (engl. AMR) übergeht. Der zweite wichtige Aspekt, der Einflusses komplexer, nichtkollinearer Spinstrukturen auf den ballistischen Leitwert, wird in einem Nanokontakt untersucht, der aus zwei halbunendlichen, magnetischen Co Monodrähten mit magnetischen Mn Spitzenatomen besteht, die vom Tunnel- in den Kontaktbereich gebracht werden. Im Kontaktbereich kann durch konkurrierende Austauschwechselwirkungen ein stabiler, nichtkollinearer Zustand entstehen, der kennzeichnende Leitwert- und Magnetwiderstandsignaturen besitzt.

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Hardrat, Björn: Ballistic transport in one-dimensional magnetic nanojunctions:A first-principles Wannier function approach. 2012.

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