Ab initio Untersuchung der Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Rastersondenspitzen und einzelnen magnetischen Atomen auf Oberflächen

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Das Ziel des Projekts ist das Verständnis und die ab initio Berechnung der Austauschwechselwirkung zwischen magnetischen Rastersondenspitzen und einzelnen magnetischen Atomen auf Oberflächen. Insbesondere möchten wir untersuchen, ob man den magnetischen Zustand des Atoms über die Messung der Austauschkräfte bestimmen kann und ob die Magnetisierung des Atoms sogar durch die Wechselwirkung mit der Spitze gezielt geschaltet werden kann. Dazu werden wir ab initio Rechnungen mittels Dichtefunktionaltheorie von möglichst realistischen Spitzen-Proben-Systemen durchführen, um die Nachweisbarkeit der magnetischen Schaltprozesse zu untersuchen, sowie Wege zu finden diese zu kontrollieren. Zwei grundsätzlich unterschiedliche Probensysteme ergeben sich aus der Stärke der Kopplung des magnetischen Atoms zur Oberfläche. Zum einen werden wir Systeme untersuchen, bei denen das magnetische Atom stark zur magnetischen Oberfläche austauschgekoppelt ist und somit eine feste Magnetisierung besitzt, die über Messung der Austauschkräfte mit einer magnetischen Spitze detektiert werden kann. Für solche Systeme kann die Stärke, das Vorzeichen und die Abstandsabhängigkeit der Austauschwechselwirkung mit der Spitze und die Abhängigkeit vom Atomtyp bestimmt werden. Als Probensystem werden wir 3d-Übergangsmetallatome auf der Mn-Monolage auf W(110) wählen, das experimentell untersucht werden kann und aufgrund des Spinspiralgrundzustands der Mn-Monolage erlaubt, die Spinrichtung des Atoms quasi-kontinuierlich einzustellen. Um den Spin eines einzelnen Adatoms schalten zu können, darf die Austauschkopplung mit dem Substrat nicht zu stark sein. Daher muss ein System gewählt werden, bei dem entweder die Kopplung zum Substrat schwach ist oder zwei magnetische Konfigurationen des Atoms nur durch eine Anisotropiebarriere getrennt sind, die allerdings ausreichend groß sein muss, um thermisches Schalten zu verhindern. Ein mögliches System dieser Art sind 5d-Übergangsmetallatome auf Graphene, die nach unseren ab initio Rechnungen ein magnetisches Moment besitzen sollten und aufgrund ihrer großen Spin-Bahn-Kopplungskonstante auch eine sehr große magnetische Anisotropiebarriere aufweisen. Andere mögliche Systeme sind Fe oder Co Atome auf Pt(111) oder magnetische Atome auf magnetischen Oberflächen mit isolierenden Schichten.