[論文レビュー] Ab-initio methods for spin-transport at the nanoscale level

Stefano Sanvito|arXiv (Cornell University)|Mar 17, 2005

Quantum and electron transport phenomena参考文献 13被引用数 11

ひとこと要約

本論文は、グリーン関数およびランダウエア＝ビュッティカー形式を用いた線形および非平衡輸送理論を焦点として、ナノスケールにおけるスピン輸送をモデリングする第一原理ab-initio手法について包括的なレビューを提供する。これらの手法が、GMRおよびTMRデバイスを含む磁性ナノ構造におけるスピン依存輸送の正確な原子スケールシミュレーションを可能にすることを示しており、スピン偏極、不純物効果、点接触およびカーボンナノチューブにおける ballistic 輸送に関する主要な結果が得られている。

ABSTRACT

Recent advances in atomic and nano-scale growth and characterization techniques have led to the production of modern magnetic materials and magneto-devices which reveal a range of new fascinating phenomena. The modeling of these is a tough theoretical challenging since one has to describe accurately both electronic structure of the constituent materials, and their transport properties. In this paper I review recent advances in modeling spin-transport at the atomic scale using first-principles methods, focusing both on the methodological aspects and on the applications. The review, which is designed as tutorial for students at postgraduate level, is structured in six main sections: 1) Introduction, 2) General concepts in spin-transport, 3) Transport Theory: Linear Response, 4) Transport Theory: Non-equilibrium Transport, 5) Results, 6) Conclusion. In addition an overview of the computational codes available to date is also included.

研究の動機と目的

• 原子スケールでのスピン輸送をシミュレートするための第一原理的手法について、チュートリアル的レヴェルのレビューを提供すること。
• ナノ磁性材料における電子構造とスピン依存輸送を同時に記述する理論的課題に取り組むこと。
• 理論的輸送モデルと磁性マルチレイヤー、点接触、分子ジャンクションなどの実際のナノスケールデバイスとの間のギャップを埋めること。
• Smeagol、KKR、Wannierに基づく手法などのさまざまな計算コード（例：Smeagol, KKR, Wannier-based methods）のスピン輸送計算における性能と適用可能性を評価すること。
• 巨大磁気抵抗（GMR）、トンネル磁気抵抗（TMR）、低次元系におけるスピンインジェクションといった主要な現象を強調すること。

提案手法

• 伝導度を散乱行列（S行列）およびレディットグリーン関数を介して伝搬確率に関連付けるために、ランダウエア＝ビュッティカー形式を用いる。
• 有限バイアス下での輸送をモデル化するために、非平衡グリーン関数（NEGF）手法を用い、リードおよび散乱領域の自己エネルギーを組み込む。
• Kohn-Shamフレームワーク内での密度汎関数理論（DFT）を用いて電子構造を計算し、Smeagolなどのコードに実装する。
• 縮退化技術および表面グリーン関数を用いて、物理的正確性を保ちながら散乱領域のサイズを縮小する。
• Wannier関数変換および再帰的グリーン関数手法を用いて、計算効率と収束性を向上させる。
• 拡張されたハミルトニアン形式および自己エネルギー補正を用いて、超伝導性および磁性の近接効果を組み込む。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理的手法は、ナノスケール磁性デバイスにおけるスピン依存輸送をどの程度正確に記述できるか？
• RQ2 電子構造、不純物、界面効果が、GMRおよびTMR系における磁気抵抗を決定づける役割を果たすか？
• RQ3 磁性点接触および分子ジャンクションにおける ballistic および diffusive 輸送領域は、どのように異なるか？
• RQ4 ab-initio 手法は、カーボンナノチューブおよびナノワイヤーにおけるスピン偏極および伝導度をどの程度正確に予測できるか？
• RQ5 超伝導接合は、フェリオマグネティックジャンクションにおけるスピン輸送にどのような影響を及えるか？

主な発見

• 第一原理計算により、GMRマルチレイヤーにおける不純物が単純な抵抗器モデルを破り、特にスピン依存散乱が存在する場合に磁気抵抗に顕著な影響を与えることが明らかになった。
• 磁性点接触における ballistic スピン輸送は、ドメインウォールでのコherent 散乱により大きな磁気抵抗比を示し、理論的予測が実験的傾向と一致することが示された。
• Fe/MgO/Fe ジャンクションにおけるトンネル磁気抵抗（TMR）は、トンネル異方性および界面状態によって強く増幅され、理想系では計算されたTMR比が1000％を超えることが分かった。
• 強いスピン軌道結合およびエッジ状態のおかげで、カーボンナノチューブを介したスピン偏極輸送が可能であり、スピン偏極チャネルでは伝導度が2e²/hの単位で量子化されている。
• 理論的モデリングにより、スピンのコherenceが磁性半導体界面を越えて保持され、長寿命のスピン拡산長を有するスピントロニクスデバイスの実現可能性が裏付けられた。
• フェリオマグネティックジャンクションにおける超伝導接合の使用は、共鳴アンドレーエフ反射を引き起こし、伝導度が増幅され、特定の構成では完全なスピンフィルタリングが予測された。