Uni-Logo

Alumni-Preis 2021

Rudolf Smorka für seine Masterarbeit: "Dynamics in Quantum-Classical Hybrid Spin Models"

Alumni-Preis 2021

Rudolf Smorka


Betreuer: Prof. Dr. Michael Thoss
 

Kurzzusammenfassung der Arbeit (deutsch):

Effiziente Simulation der Spindynamik spielt sowohl in grundlegenden Fragestellungen des Magnetismus sowie in der Entwicklung spinbasierter Technologien eine große Rolle. In dieser Arbeit wurde der Einfluss von Leitungselektronen auf die Dynamik von lokalisierten klassischen Spins mithilfe einer quantenklassischen Methode für offene Quantensysteme, anhand von drei Modellsystemen, untersucht.

Im ersten Teil wurde die Relaxationsdynamik einer auf einer metallischen Oberfläche magnetischen Störstelle analysiert. Diese Relaxation wird durch Dissipation von Spinwellen im metallischen Substrat begleitet. Die quantitative Analyse der Relaxationsraten brachte zudem eine anomale Abhängigkeit von der Spin-Elektron Kopplungsstärke zutage.

Im zweiten Teil wurde dieses System durch Koppeln an metallische Leitungen zu einem magnetischen Einzelmolekülübergang verallgemeinert und der Einfluss eines Potenzialunterschieds auf die Dynamik des Spins und der Elektronen charakterisiert. Die Spin-Relaxationsrate kann durch einen elektrischen Strom sowohl verstärkt als auch komplett unterdrückt werden. In der spannungsabhängigen Spindynamik hinterlässt das elektronische Spektrum eine klare Signatur.

Im letzten Teil wurde die Dynamik in einem Spinventil untersucht. Dieses besteht aus einer metallischen Schicht, welche zwischen zwei ferromagnetischen Schichten eingebettet und wiederum an zwei metallische Leiter gekoppelt ist. Um zu untersuchen, wie strominduzierte Spindrehmomente vom angelegten Potenzialunterschied abhängen, wurde ein dreiphasiges Schaltprotokoll konzipiert. Hierbei wurde durch einen direkten Vergleich dieser Drehmomente mit der Transmissionsfunktion gezeigt, dass das elektronische Spektrum eine entscheidende Rolle für die Spannungsabhängigkeit dieser Drehmomente spielt. Mit diesen Ergebnissen wird demonstriert, dass quantenklassische Methoden vielversprechend in der Untersuchung von kombinierter Elektronen- und Spindynamik fernab des Gleichgewichts sind.

 

Abstract (english):

Efficient simulation of spin dynamics plays an essential role for a firm understanding of magnetism and consequently forms the basis for engineering future spin-based technologies. In this work, I employed a quantum-classical hybrid to study spin and electron dynamics far away from equilibrium, which avoids limitations of approaches based on the widely used Landau-Lifshitz-Gilbert equation.

In the first part, I analyzed the relaxation dynamics of a single classical impurity spin adsorbed on a finite chain of conduction electrons. Dissipation of an electronic spin excitation in the chain accompanies the relaxation of the classical spin. Applying a quantitative analysis of the spin relaxation rates reveals an anomalous dependence of spin relaxation rates on the spin-electron coupling.

In the second part, I investigated the influence of a dc voltage on spin and charge dynamics in a single-molecule-magnet junction. A current of electrons, driven by a dc voltage, can enhance or even suppress spin-relaxation. Herein, the electronic spectrum leaves a strong signature in the voltagedependent spin dynamics. Conversely, spin precession induces additional contributions to charge and spin currents.

Utilizing this hybrid approach, a spin-valve was investigated in the last part. Using a threephase switching protocol allowed the quantitative determination of spin-transfer-torques for varying voltage. Similarly to simpler systems, signatures of the electronic spectrum are present in the voltage dependence of current-induced spin-transfer torques acting on the magnetization. These findings show that quantum-classical hybrids are promising alternative methods for simulating combined electronspin dynamics far from equilibrium.

Personal tools