Magnetic anisotropies in (Ga,Mn)As and metallic multilayers with strong spin-orbit coupling

Abstract

V této disertační práci jsou prezentovány numerické výpočty magnetokrystalických anisotropií ve feromagnetických polovodičích a přechodových kovech se zaměřením na mikroskopický původ těchto relativistických jevů i na vývoj spintronických součástek s novou funkcionalitou. Převážná část práce je věnována výzkumu magnetických anisotropií v (Ga,Mn)As epivrstvách a srovnání výpočtů s dostupnými experimentálními daty. Náš model popisuje valenční díry pomocí šestipásové obálkové funkce a jejich kinetickou výměnnou interakci s lokalizovanými manganovými momenty započítává v přiblížení středního pole. Nejprve studujeme otáčení magnetické snadné osy ze směru kolmého k vrstvě do směru paralelního v závislosti na koncentraci Mn iontů, koncentraci děr a teplotě v epivrstvách s elastickým napětím způsobeným různou mřížkovou konstantou substrátu a epivrstvy. Pak se zaměřujeme na vzájemnou velikost kubické a uniaxiální komponenty magnetické anisotropie v rovině vzorku. Do našeho efektivního Hamiltoniánu je vloženo uniaxiální napětí v rovině vzorku za účelem modelování anisotropií měřených v neupravených souvislých epivrstvách a zároveň je poskytnuto mikroskopické odůvodnění tohoto postupu. Model je pak rozšířen o uniaxiální napětí podle libovolného směru v rovině vzorku a používán pro popis...

The thesis presents a numerical study of magnetocrystalline anisotropies in dilute ferromagnetic semiconductors and transition metal systems intended to advance the current understanding of the microscopic origins of this relativistic effect and to contribute to the development of spintronic devices with new functionalities. The major part of the work surveys magnetocrystalline anisotropies in (Ga,Mn)As epilayers and compares the calculations to available experimental data. Our model is based on an envelope function description of the valence band holes and a spin representation for their kinetic-exchange interaction with localised electrons on Mn2+ ions, treated in the mean-field approximation. For epilayers with growth induced lattice-matching strains we study in-plane to out-of-plane easy axis reorientations as a function of Mn local-moment concentration, hole concentration, and temperature. Next we focus on the competition of in-plane cubic and uniaxial anisotropies. We add an in-plane shear strain to the effective Hamiltonian in order to capture measured data in bare, unpatterned epilayers, and we provide microscopic justification for this approach. The model is then extended by an in-plane uniaxial strain and used to directly describe experiments with magnetisation direction controlled by...