Advanced

Effects of Spin-Orbit Interactions in Ferromagnetic Metal Nanoparticles

Cehovin, Aleksander LU (2003)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling fokuserar på effekterna av spin-ban växelverkan (SBV) i nanometerstora ferromagnetiska metallpartiklar. SBV kan betraktas som en interaktion mellan två magnetiska moment, varav det ena utgörs av elektronens spin och det andra är orsakat av elektronens egen banrörelse. Banrörelsens bidrag bygger på faktumet att ett magnetiskt moment genereras av elektriska laddningar i sluten banrörelse. Typiskt för ferromagnetiska material är elektronspinnens tendens att likrikta sig i förhållande till varandra. Detta genererar huvuddelen av det totala magnetiska moment som är karakteristiskt för dessa material. SBV utgör en mekanism som sammankopplar det totala magnetiska momentet med... (More)
Popular Abstract in Swedish

Denna avhandling fokuserar på effekterna av spin-ban växelverkan (SBV) i nanometerstora ferromagnetiska metallpartiklar. SBV kan betraktas som en interaktion mellan två magnetiska moment, varav det ena utgörs av elektronens spin och det andra är orsakat av elektronens egen banrörelse. Banrörelsens bidrag bygger på faktumet att ett magnetiskt moment genereras av elektriska laddningar i sluten banrörelse. Typiskt för ferromagnetiska material är elektronspinnens tendens att likrikta sig i förhållande till varandra. Detta genererar huvuddelen av det totala magnetiska moment som är karakteristiskt för dessa material. SBV utgör en mekanism som sammankopplar det totala magnetiska momentet med elektronernas banrörelse som är beroende av bla partikelns form och inre kristallstruktur. Genom detta ger SBV upphov till magnetisk anisotropi, vilket innebär att det magnetiska momentet upplever energetiskt fördelaktiga riktningar, i vilka det väljer att peka. Resultatet blir en nanometerstor effektiv stavmagnet, vars polriktningar bestäms av den magnetiska anisotropin. Historiskt har beskrivningen av dessa partiklar ignorerat den underliggande elektronstrukturen och förlitat sig på energifunktionaler, som endast beror på det totala magnetiska momentets riktning (Stoner-Wohlfarth-modellen). Energifunktionalens minimum ger i det här fallet partikelns grundtillstånd.



Ferromagnetiska material uppvisar två olika typer av elektrontillstånd, varav det ena är s.k. enpartikeltillstånd vars klassiska analogi motsvaras av individuella elektroners slutna banor i partikeln, i likhet med bilden av atomära elektronorbitaler som slutna banor runt atomkärnan. Den andra typen av exitationer kan inte sägas beskriva enskilda elektroner, utan är ett kollektivt fenomen där alla elektroner deltar samtidigt. Magnetiska kollektiva exitationer kan visualiseras som en precesserande rörelse av det totala magnetiska momentet.



Avhandlingen omfattar två delar, där den första ger en introduktion till de viktigaste frågorna i ämnet samt en sammanfatting av forskningsarbetet. Introduktionen inkluderar en övergripande beskriving av den experimentella utvecklingen i fältet, vilken har möjligjort detaljerade experimentella mätningar av individuella nanopartiklars energispektra. Detta har utgjort en viktig motivering till denna avhandling. Sammanfattningen av forskningen bygger på fyra vetenskapliga publikationer, vilka presenteras i sin helhet i avhandlingens andra och huvudsakliga del.



Med en mikroskopisk modell som utgångspunkt omfattar publikation I konsekvenserna av SBV på enelektrontillstånd och magnetisk anisotropi i ferromagnetiska nanopartiklar. Resultaten överenstämmer kvalitativt med motsvarande experimentella energispektra. Vårt tillvägagångssätt utgör dessutom en koppling mellan de tidigare nämnda traditionella energifunktionalerna och en mikroskopisk kvantmekanisk modell.



Publikation II behandlar enelektrontillstånd i icke-magnetiska partiklar där det totala magnetiska momentet är noll. Detta hindrar inte individuella enelektrontillstånd att uppvisa ett effektivt magnetiskt moment, vilket kan ha bidrag från både elektronens spin och dess banrörelse. Med hjälp av modellen i publikation I studeras effekterna av SBV på dessa bidrag. Vi visar att spinbidraget överenstämmer väl med tidigare teoretiska arbeten byggda på slumpmatristeori. Dessutom ger detta arbete en djupare insikt, jämfört med slumpmatristeori, om banbidraget till det effektiva enelektronmomentet vid närvarande SBV.



Publikation III behandlar den roll SBV spelar i samband med närvaron av både enelektrontillstånd och kollektiva magnetiska tillstånd. Som tidigare nämnts, kopplar SBV det magnetiska momentet till elektronernas banrörelse. Detta leder till att en kollektiv magnetisk exitation kan, under rätt omständigheter, fortplantas till exiterade elektronbanor. I dessa fall suddas distinktionen mellan enpartikeltillstånd och kollektiva tillstånd ut. Utöver detta studeras dessutom SBV:s vitala roll för storleken av kollektiva exitationsenergier. Slutligen diskuteras dessa fenomens roll i tolkningen av experimentella energispektra av ferromagnetiska nanopartiklar.



Den sista publikationen föreslår en generell metod att beskriva de kollektiva magnetiska tillstånden i tillräckligt små ferromagnetiska metallpartiklar. Den resulterande modellen (Hamiltonianen) förbiser elektronernas banrörelse, och omfattar endast ett total effektivt magnetiskt moment. Detta är en trivial procedur i frånvaron av SBV, och utökningen till fallet med närvarande SBV utgör kärnan i denna artikel. Den framförda teorin illustreras med modellen framtagen i publikation I. (Less)
Abstract
This thesis is a theoretical investigation of the effects of spin-orbit (SO) interactions in ferromagnetic metal nano-particles. Part I of the thesis is devoted to an elementary introduction of the research field, including recent experimental advances which partly motivated the work presented here. At the core of the thesis lie four original papers, collected in Part II, which are presented and summarized at the end of the introduction.



In Paper I we introduce a microscopic tight-binding model to study the mesoscopic physics of the nanoparticle magnetocrystalline anisotropy and the hysteresis in the quasiparticle excitation spectra. The model predicts features that agree qualitatively with tunneling spectroscopy... (More)
This thesis is a theoretical investigation of the effects of spin-orbit (SO) interactions in ferromagnetic metal nano-particles. Part I of the thesis is devoted to an elementary introduction of the research field, including recent experimental advances which partly motivated the work presented here. At the core of the thesis lie four original papers, collected in Part II, which are presented and summarized at the end of the introduction.



In Paper I we introduce a microscopic tight-binding model to study the mesoscopic physics of the nanoparticle magnetocrystalline anisotropy and the hysteresis in the quasiparticle excitation spectra. The model predicts features that agree qualitatively with tunneling spectroscopy experiments, such as large fluctuations in the anisotropy energy per atom when one electron is added to the nanoparticle. Moreover, this model provides a connection between a microscopic Hamiltonian and energy-functional expressions based on classical micromagnetic theory.



Paper II presents a theoretical study of the mesoscopic fluctuations of g-tensors in metal nanoparticles. The analysis is based on the tight-binding model of Paper I, and includes both spin and orbital contributions to the g-tensors. The spin contribution is shown to be in agreement with random matrix theory predictions. Furthermore, the orbital contribution in the strong spin-orbit coupling regime depends crucially on the orbital character of the quasi-particle wavefunctions.



Paper III is devoted to the essential role played by SO interactions in determining the energies of the collective ferromagnetic resonances and their coupling to low-energy particle-hole excitations. It is argued that a crossover between Landau-damped ferromagnetic resonances and pure-state collective magnetic excitations occurs as the number of atoms in typical ferromagnetic transition metal nanoparticles drops below 10^4. This picture is supported by a RPA-type of calculation based on the model of Paper I. The significance of this picture for the interpretation of recent single-electron tunneling experiments is discussed.



Paper IV addresses the regime of ultra small ferromagnetic transition-metal nanoparticles, where particle-hole and collective excitations are separable in energy. It is argued that in this regime a nanoparticle can be described by an effective Hamiltonian with a single giant spin degree of freedom. The total spin S of the effective Hamiltonian is specified by a Berry curvature Chern number that characterizes the topologically non-trivial dependence of the nanoparticle's many-electron wavefunction on magnetization orientation. These ideas are illustrated within the tight-binding model of Paper I. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Prof von Delft, Jan
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
electrical, magnetic and optical properties, elementary spin excitations, spektroskopi, magnetisk resonans, supraledare, electron tunneling spectroscopy, Condensed matter:electronic structure, magnetic anisotropy, spin-orbit interactions, magnetism in nanostructures, egenskaper (elektriska, ferromagnetic materials, magnetiska och optiska), Kondenserade materiens egenskaper:elektronstruktur, relaxation, spectroscopy, supraconductors, magnetic resonance, Fysicumarkivet A:2003:Cehovin
pages
193 pages
defense location
Sal B, Fysikum
defense date
2003-09-15 13:15
ISBN
91-628-5771-1
language
English
LU publication?
yes
id
d7b367b5-f306-4c26-9005-7cb31cf59dcc (old id 466053)
date added to LUP
2007-09-28 09:46:12
date last changed
2016-09-19 08:45:17
@misc{d7b367b5-f306-4c26-9005-7cb31cf59dcc,
  abstract     = {This thesis is a theoretical investigation of the effects of spin-orbit (SO) interactions in ferromagnetic metal nano-particles. Part I of the thesis is devoted to an elementary introduction of the research field, including recent experimental advances which partly motivated the work presented here. At the core of the thesis lie four original papers, collected in Part II, which are presented and summarized at the end of the introduction.<br/><br>
<br/><br>
In Paper I we introduce a microscopic tight-binding model to study the mesoscopic physics of the nanoparticle magnetocrystalline anisotropy and the hysteresis in the quasiparticle excitation spectra. The model predicts features that agree qualitatively with tunneling spectroscopy experiments, such as large fluctuations in the anisotropy energy per atom when one electron is added to the nanoparticle. Moreover, this model provides a connection between a microscopic Hamiltonian and energy-functional expressions based on classical micromagnetic theory.<br/><br>
<br/><br>
Paper II presents a theoretical study of the mesoscopic fluctuations of g-tensors in metal nanoparticles. The analysis is based on the tight-binding model of Paper I, and includes both spin and orbital contributions to the g-tensors. The spin contribution is shown to be in agreement with random matrix theory predictions. Furthermore, the orbital contribution in the strong spin-orbit coupling regime depends crucially on the orbital character of the quasi-particle wavefunctions.<br/><br>
<br/><br>
Paper III is devoted to the essential role played by SO interactions in determining the energies of the collective ferromagnetic resonances and their coupling to low-energy particle-hole excitations. It is argued that a crossover between Landau-damped ferromagnetic resonances and pure-state collective magnetic excitations occurs as the number of atoms in typical ferromagnetic transition metal nanoparticles drops below 10^4. This picture is supported by a RPA-type of calculation based on the model of Paper I. The significance of this picture for the interpretation of recent single-electron tunneling experiments is discussed.<br/><br>
<br/><br>
Paper IV addresses the regime of ultra small ferromagnetic transition-metal nanoparticles, where particle-hole and collective excitations are separable in energy. It is argued that in this regime a nanoparticle can be described by an effective Hamiltonian with a single giant spin degree of freedom. The total spin S of the effective Hamiltonian is specified by a Berry curvature Chern number that characterizes the topologically non-trivial dependence of the nanoparticle's many-electron wavefunction on magnetization orientation. These ideas are illustrated within the tight-binding model of Paper I.},
  author       = {Cehovin, Aleksander},
  isbn         = {91-628-5771-1},
  keyword      = {electrical,magnetic and optical properties,elementary spin excitations,spektroskopi,magnetisk resonans,supraledare,electron tunneling spectroscopy,Condensed matter:electronic structure,magnetic anisotropy,spin-orbit interactions,magnetism in nanostructures,egenskaper (elektriska,ferromagnetic materials,magnetiska och optiska),Kondenserade materiens egenskaper:elektronstruktur,relaxation,spectroscopy,supraconductors,magnetic resonance,Fysicumarkivet A:2003:Cehovin},
  language     = {eng},
  pages        = {193},
  title        = {Effects of Spin-Orbit Interactions in Ferromagnetic Metal Nanoparticles},
  year         = {2003},
}