Quantum states in materials with complex topological electronic and magnetic structure

Abstract

The research on the complex topological electronic and magnetic structure of materials has been gaining importance over the last few years, as it can be applied in the field of spintronics with prospects for implementation in information technology. The main goal of this thesis is the theoretical and computational study of spin-transport phenomena in topological structures. Our simulations are based on ab-initio calculations augmented by electronic scattering theory. Firstly, we focus on the phenomenon of the spin-orbit torque in a special materials class, the topological insulators, doped with magnetic impurities. We investigate the spin-orbit torque exerted on the magnetic moments of ferromagnetically coupled transition-metal defects (Cr, Mn, Fe, and Co) embedded in the surface of the topological insulator Bi2Te3, in response to an electrical current flow in the surface. The scattering properties of surfacestates off multiple magnetic impurities are calculated within the Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) Green function method, while the spin-orbit torque calculations are performed by combining the KKR results on the Fermi surface and scattering rate with the semiclassical linearized Boltzmann equation. We discuss the correlation of the spin-orbit torque to the spin current on the Fermi surface, analyzing the spin flux contribution to the spin-orbit torque on the defects. In addition, we relate the torque to the resistivity and the Joule heat production. We find these systems may be favorable for spintronic applications. In particular, we predict that the Mn/Bi2Te3 is the most promising among the studied systems for applications of the spin-orbit torque effect. Secondly, we focus on magnetic skyrmions in magnetic films, which are two-dimensional topological solitons that behave like particles that can be formed, transported, detected. Based on the KKR method, non-collinear spin-density-functional theory calculations are carried out for the formation of stable magnetic skyrmions in Pd/Fe/Ir(111) ultrathin films. Next, solving selfconsistently the Boltzmann transport equation, we study the topological Hall effect (THE) induced by the electron scattering on skyrmion systems. The investigation of the THE is of pivotal importance in these systems, since it is one of the key methods for electrically detecting magnetic skyrmions. We present the resistivity and the Hall angle of the system, and we examine the dependence of the THE on disorder, modelled by an additional electron scattering term. Our findings predict a strong dependence of the topological Hall angle on the degree of disorder of the sample.

Η σύνθετη τοπολογική ηλεκτρονική και μαγνητική δομή των υλικών είναι ένα πεδίο έρευνας που αποκτά όλο και μεγαλύτερη σημασία τα τελευταία χρόνια, λόγω της εφαρμογής του στο πεδίο της σπιντρονικής, με πιθανές προεκτάσεις στην πληροφορία της τεχνολογίας. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή, κύριο στόχο αποτελεί η θεωρητική και υπολογιστική μελέτη φαινομένων μεταφοράς του σπιν σε τοπολογικές δομές. Οι προσομοιώσεις μας βασίζονται σε υπολογισμούς υλικών από πρώτες αρχές εφαρμόζοντας τη θεωρία ηλεκτρονικής σκέδασης. Αρχικά, επικεντρωνόμαστε στο φαινόμενο της ροπής στρέψης σπιν σε τοπολογικούς μονωτές εμπλουτισμένους με μαγνητικές προσμίξεις. Μελετούμε τη ροπή στρέψης σπιν που ασκείται στη μαγνητική ροπή σιδηρομαγνητικά συζευγμένων προσμίξεων, και συγκεκριμένα μετάλλων μετάβασης (Cr, Mn, Fe, και Co), στην επιφάνεια του τοπολογικού μονωτή Bi2Te3, ως απόκριση σε ηλεκτρικό ρεύματος στην επιφάνεια. Οι ιδιότητες σκέδασης των επιφανειακών καταστάσεων στις μαγνητικές προσμίξεις υπολογίζονται με τη μέθοδο Korringa-Kohn-Rostoker (KKR) συναρτήσεων Green, ενώ οι υπολογισμοί της ροπής στρέψης σπιν πραγματοποιούνται συνδυάζοντας τα αποτελέσματα της KKR στην επιφάνεια Fermi και το ρυθμό σκέδασης με την ημικλασική γραμμικοποιημένη εξίσωση Boltzmann. Συζητάμε τη συσχέτιση της ροπής στρέψης σπιν με το ρεύμα σπιν, αναλύοντας τη συνεισφορά της ροής σπιν στη ροπή στρέψης σπιν στις προσμίξεις. Επιπλέον, εξετάζουμε πώς σχετίζεταιη ροπή στρέψης σπιν με την αντίσταση και την παραγωγή θερμότητας Joule. Σύμφωνα με τα αποτελέσματά μας, τα συστήματα αυτά είναι ευνοϊκά για σπιντρονικές εφαρμογές. Ειδικότερα, προβλέπουμε ότι το σύστημα Mn/Bi2Te3 είναι το πλέον υποσχόμενο μεταξύ των συστημάτων που μελετήσαμε για εφαρμογές της ροπής στρέψης σπιν. Στη συνέχεια, επικεντρωνόμαστε στη μελέτη διδιάστατων μαγνητικών σκυρμιονίων, τα οποία είναι τοπολογικά σολιτόνια σε σιδηρομαγνητικά υμένια και τα οποία συμπεριφέρονται ως σωματίδια που δύνανται να σχηματιστούν, μεταφερθούν και ανιχνευθούν. Για τη μελέτη αυτή, βασιστήκαμε στη μέθοδο KKR και πραγματοποιήσαμε υπολογισμούς θεωρίας συναρτησιακού της μη συγγραμικής πυκνότητας σπιν για το σχηματισμό ευσταθών μαγνητικώνσκυρμιονίων σε υπέρλεπτα υμένια Pd/Fe/Ir(111). Κατόπιν, επιλύοντας την αυτοσυνεπή εξίσωση Boltzmann, εξετάζουμε το τοπολογικό φαινόμενο Hall, το οποίο προκαλείται από τη σκέδαση των ηλεκτρονίων σε συστήματα σκυρμιονίων. Η μελέτη του τοπολογικού φαινομένου Hall είναι θεμελιώδους σημασίας σε τέτοιου είδους συστήματα, καθώς το φαινόμενο αυτό αποτελεί μία από τις βασικές μεθόδους για την ανίχνευση μαγνητικών σκυρμιονίων. Παρουσιάζουμε την αντίσταση και τη γωνία Hall του συστήματος, και εξετάζουμε την εξάρτηση του τοπολογικού φαινομένου Hall από το βαθμό αταξίας του δείγματος, εισάγοντάς τον στους υπολογισμούς μας μέσω ενός επιπλέον όρου ηλεκτρονικής σκέδασης. Τα ευρήματά μας προβλέπουν μία ισχυρή εξάρτηση του τοπολογικού φαινομένου Hall από τοβαθμό αταξίας του δείγματος.