Effects of Spin-Orbit Interactions in Ferromagnetic Metal Nanoparticles

Abstract: Popular Abstract in Swedish Denna avhandling fokuserar på effekterna av spin-ban växelverkan (SBV) i nanometerstora ferromagnetiska metallpartiklar. SBV kan betraktas som en interaktion mellan två magnetiska moment, varav det ena utgörs av elektronens spin och det andra är orsakat av elektronens egen banrörelse. Banrörelsens bidrag bygger på faktumet att ett magnetiskt moment genereras av elektriska laddningar i sluten banrörelse. Typiskt för ferromagnetiska material är elektronspinnens tendens att likrikta sig i förhållande till varandra. Detta genererar huvuddelen av det totala magnetiska moment som är karakteristiskt för dessa material. SBV utgör en mekanism som sammankopplar det totala magnetiska momentet med elektronernas banrörelse som är beroende av bla partikelns form och inre kristallstruktur. Genom detta ger SBV upphov till magnetisk anisotropi, vilket innebär att det magnetiska momentet upplever energetiskt fördelaktiga riktningar, i vilka det väljer att peka. Resultatet blir en nanometerstor effektiv stavmagnet, vars polriktningar bestäms av den magnetiska anisotropin. Historiskt har beskrivningen av dessa partiklar ignorerat den underliggande elektronstrukturen och förlitat sig på energifunktionaler, som endast beror på det totala magnetiska momentets riktning (Stoner-Wohlfarth-modellen). Energifunktionalens minimum ger i det här fallet partikelns grundtillstånd. Ferromagnetiska material uppvisar två olika typer av elektrontillstånd, varav det ena är s.k. enpartikeltillstånd vars klassiska analogi motsvaras av individuella elektroners slutna banor i partikeln, i likhet med bilden av atomära elektronorbitaler som slutna banor runt atomkärnan. Den andra typen av exitationer kan inte sägas beskriva enskilda elektroner, utan är ett kollektivt fenomen där alla elektroner deltar samtidigt. Magnetiska kollektiva exitationer kan visualiseras som en precesserande rörelse av det totala magnetiska momentet. Avhandlingen omfattar två delar, där den första ger en introduktion till de viktigaste frågorna i ämnet samt en sammanfatting av forskningsarbetet. Introduktionen inkluderar en övergripande beskriving av den experimentella utvecklingen i fältet, vilken har möjligjort detaljerade experimentella mätningar av individuella nanopartiklars energispektra. Detta har utgjort en viktig motivering till denna avhandling. Sammanfattningen av forskningen bygger på fyra vetenskapliga publikationer, vilka presenteras i sin helhet i avhandlingens andra och huvudsakliga del. Med en mikroskopisk modell som utgångspunkt omfattar publikation I konsekvenserna av SBV på enelektrontillstånd och magnetisk anisotropi i ferromagnetiska nanopartiklar. Resultaten överenstämmer kvalitativt med motsvarande experimentella energispektra. Vårt tillvägagångssätt utgör dessutom en koppling mellan de tidigare nämnda traditionella energifunktionalerna och en mikroskopisk kvantmekanisk modell. Publikation II behandlar enelektrontillstånd i icke-magnetiska partiklar där det totala magnetiska momentet är noll. Detta hindrar inte individuella enelektrontillstånd att uppvisa ett effektivt magnetiskt moment, vilket kan ha bidrag från både elektronens spin och dess banrörelse. Med hjälp av modellen i publikation I studeras effekterna av SBV på dessa bidrag. Vi visar att spinbidraget överenstämmer väl med tidigare teoretiska arbeten byggda på slumpmatristeori. Dessutom ger detta arbete en djupare insikt, jämfört med slumpmatristeori, om banbidraget till det effektiva enelektronmomentet vid närvarande SBV. Publikation III behandlar den roll SBV spelar i samband med närvaron av både enelektrontillstånd och kollektiva magnetiska tillstånd. Som tidigare nämnts, kopplar SBV det magnetiska momentet till elektronernas banrörelse. Detta leder till att en kollektiv magnetisk exitation kan, under rätt omständigheter, fortplantas till exiterade elektronbanor. I dessa fall suddas distinktionen mellan enpartikeltillstånd och kollektiva tillstånd ut. Utöver detta studeras dessutom SBV:s vitala roll för storleken av kollektiva exitationsenergier. Slutligen diskuteras dessa fenomens roll i tolkningen av experimentella energispektra av ferromagnetiska nanopartiklar. Den sista publikationen föreslår en generell metod att beskriva de kollektiva magnetiska tillstånden i tillräckligt små ferromagnetiska metallpartiklar. Den resulterande modellen (Hamiltonianen) förbiser elektronernas banrörelse, och omfattar endast ett total effektivt magnetiskt moment. Detta är en trivial procedur i frånvaron av SBV, och utökningen till fallet med närvarande SBV utgör kärnan i denna artikel. Den framförda teorin illustreras med modellen framtagen i publikation I.