Electronic structure theory of magnetoresistive effects in atomic-scale junctions induced by spin-orbit coupling and spin non-collinearity

Otte, Fabian

In this thesis magnetoresistive effects caused by spin-orbit coupling (SOC) and spin non-collinearity are studied on the atomic scale based on electronic structure theory. The full-potential linearized augmented plane wave method is applied, which relies on density functional theory (DFT). The electronic structure is projected on Wannier functions from which a tight-binding (TB) like Hamiltonian is constructed. This Hamiltonian is used in a Green's function formalism to obtain the transmission function within the Landauer approach. The anisotropic magnetoresistance (AMR) of symmetric Ni monowire junctions terminated by Co, Rh, and Ir apex atoms is investigated as a function of the distance between the apex atoms. A non-trivial distance dependence is found, which is due to the interplay of the magnetization-direction-dependent SOC-induced orbital mixing and the decay of the transition-matrix element across the gap between the apex atoms, which both depend on the orbital symmetry. These findings allow to explain scanning tunneling microscopy (STM) experiments of the distance dependence of the AMR in Co and Ir adatoms on W(110). Furthermore, single-molecule junctions consisting of metal-benzene complexes contacted by Ni and Co monowires are studied. The hybridization of the molecular orbitals with the orbitals of the adjacent metal atom results in an orbital-symmetry-filtered transmission function, which leads to a giant molecular AMR. Going beyond the monowire geometry, the AMR is investigated in Pt break junctions, in which Pt is expected to become magnetic. Pt trimers contacted by bulk-like bcc-(001) electrodes are studied finding an AMR of up to 20% in agreement with recent experimental results. Finally, it is shown based on TB and DFT that spin mixing caused by non-collinear spin structures leads to a tunneling non-collinear magnetoresistance, which has been discovered in STM experiments probing magnetic skyrmions in PdFe/Ir(111) with non-magnetic tips.

In dieser Arbeit werden magnetoresistive Effekte durch Spin-Bahn-Kopplung (SBK) und nicht-kollineare (NK) Spinstrukturen auf der atomaren Skala mittels der Elektronenstrukturtheorie untersucht. Die “Full potential linearized augmented plane wave” Methode, die auf der Dichtefunktionaltheorie (DFT) beruht, wird angewendet. Die elektronische Struktur wird auf Wannier-Funktionen projiziert, mit denen eine “Tight-Binding” (TB) ähnliche Hamiltonmatrix konstruiert wird. Dieser Hamilitonian wird in einem Greensche-Funktionen-Formalismus verwendet, um die Transmissionsfunktion innerhalb der Landauer-Methode zu gewinnen. Der anisotrope magnetoresistive Effekt (AMR) von symmetrischen, einatomigen Ni-Ketten mit Co-, Rh- und Ir-Endatomen wird als Funktion des Abstandes zwischen den Endatomen untersucht. Die Abstandsabhängigkeit entsteht durch das Zusammenspiel des magnetisierungsrichtungsabhängigen, SBK-induzierten Mischens der Orbitale und dem Abfallen der Übergangsmatrixelemente zwischen den Endatomen entsteht, die beide von der Orbitalsymmetrie abhängen. Diese Erkenntnisse erlauben es Rastertunnelmikroskopie (RTM) Experimente des abstandsabhängigen AMR von Co und Ir Adatomen auf W(110) zu erklären. Weiterhin werden Einzelmolekülkontakte bestehend aus Metall-Benzol-Komplexen, die von einatomigen Ni- und Co-Ketten kontaktiert werden, studiert. Die resultierende, orbitalsymmetriegefilterte Transmissionsfunktion führt zu einem gigantischen molekularen AMR. Anschließend wird der AMR in Pt-Bruchkontakten, in denen Pt magnetisch werden soll, untersucht. Von bcc-(001)-Elektroden kontaktierte Pt-Trimere werden studiert und ein AMR von bis zu 20% in Übereinstimmung mit jüngsten, experimentellen Daten wird gefunden. Schließlich wird basierend auf TB und DFT gezeigt, dass das Mischen der Spinkanäle durch NK Spinstrukturen zum NK magnetischen Tunnelwiderstand führt. Dieser wurde in RTM-Experimenten, in denen Skyrmionen in PdFe/Ir(111) mit nicht-magnetischen Spitzen sondiert wurden, entdeckt.

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Otte, Fabian: Electronic structure theory of magnetoresistive effects in atomic-scale junctions induced by spin-orbit coupling and spin non-collinearity. 2016.

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