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Dissertation

Autor(en): Niko Sandschneider
Titel: Strominduziertes Schalten der Magnetisierung
Gutachter: Wolfgang Nolting; Bernd Esser; Michael Potthoff
Erscheinungsdatum: 26.11.2009
Volltext: pdf (urn:nbn:de:kobv:11-100103717)
Fachgebiet(e): Physik
Schlagwörter (ger): Ferromagnetismus, spinabhängiger Transport, Hubbard-Modell, Tunnelstrom
Schlagwörter (eng): ferromagnetism, spin-dependent transport, Hubbard model, tunneling current
Einrichtung: Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I
Lizenz: Namensnennung - Keine kommerzielle Nutzung - Weitergabe unter gleichen Bedingungen (CC BY NC SA)
Zitationshinweis: Sandschneider, Niko: Strominduziertes Schalten der Magnetisierung; Dissertation, Humboldt-Universität zu Berlin, Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät I , publiziert am 26.11.2009, urn:nbn:de:kobv:11-100103717
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Abstract (ger):
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der mikroskopischen Modellierung von strominduziertem Schalten der Magnetisierung in magnetischen Tunnelstrukturen. Die Tunnelstruktur besteht aus zwei durch einen nichtmagnetischen Isolator voneinander getrennten Ferromagneten und einem Paramagneten, der als Elektronenreservoir dient. Die Ferromagnete werden beide durch das Hubbard-Modell beschrieben. Durch Anlegen einer Spannung verschieben sich die chemischen Potentiale auf beiden Seiten des Isolators, wodurch ein endlicher Tunnelstrom entsteht. Dieser wird im Rahmen des Modells durch eine Hybridisierung zwischen benachbarten Schichten simuliert. Das Modell muss im Nichtgleichgewicht gelöst werden, da aufgrund der unterschiedlichen chemischen Potentiale thermodynamisches Gleichgewicht nicht angenommen werden darf. Daher wird zur analytischen Auswertung der Keldysh-Formalismus verwendet, der eine Erweiterung der Viel-Teilchen-Theorie ins Nichtgleichgewicht darstellt. Da es sich beim Hubbard-Modell um ein nicht exakt lösbares Viel-Teilchen-Modell handelt, wurde in der Arbeit eine approximative Lösung, der sogenannte Nichtgleichgewichtsspektraldichteansatz, entwickelt. Dieser beruht auf einer Hochenergieentwicklung der retardierten Greenfunktion mit Hilfe der exakt berechenbaren Spektralmomente. Die numerischen Resultate stimmen qualitativ mit dem Experiment überein. Insbesondere gelingt es, das Hystereseverhalten der Magnetisierung des freien Ferromagneten in Abhängigkeit der angelegten Spannung korrekt zu reproduzieren. Es kann somit allein durch Anlegen einer Spannung kontrolliert zwischen paralleler und antiparalleler Ausrichtung der Magnetisierungen geschaltet werden. Dieses Phänomen ist anhand der entsprechenden Quasiteilchenzustandsdichten erklärbar. Weiterhin wird das Verhalten der kritischen Spannung systematisch in Form von Phasendiagrammen dargestellt und diskutiert.
Abstract (eng):
This thesis is concerned with the microscopic modelling of current-induced switching of magnetization in magnetic tunnel junctions. The tunnel junction consists of two ferromagnets which are divided by a nonmagnetic insulator and a paramagnet, which acts as an electron reservoir. The ferromagnets are both described by the Hubbard model. By applying a voltage the chemical potentials on both sides of the insulator are shifted which results in a finite tunneling current. Within the model the current is simulated by a hybridization between neighbouring regions. The model has to be solved in non-equilibrium since thermal equilibrium requires a constant chemical potential for the whole system, which is not the case due to the voltage. Thus the Keldysh formalism will be used for evaluating the model. Since the Hubbard model is not exactly solvable one needs approximations. In this work a non-equilbrium spectral density approach is developed. It is based on a high-energy expansion of the retarded Green''s function and takes interactions beyond the mean field level into account. The numerical results of the theory are in qualitative agreement with experiments. It will be shown that it is possible to correctly get the hysterisis behaviour of the magnetization of the free ferromagnet in dependence on the applied voltage. Thus the relative alignment of the two magnetizations can be switched just by applying an electric field. This can be explained with the corresponding quasiparticle densities of state. Furthermore the behaviour of the critical voltage will be discussed systematically by calculating phase diagrams of the tunnel junction.
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