[論文レビュー] Adiabatic spin dynamics and effective exchange interactions from constrained tight-binding electronic structure theory: Beyond the Heisenberg regime

Simon Streib, Ramon Cardias+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 22, 2022

Magnetic properties of thin films参考文献 57被引用数 9

ひとこと要約

本稿は、ヘイゼンベルグ模型を越える非加法的磁気的ダイナミクスを捉えるために、断熱的スピンダイナミクスのための制約付きタイトビンディングフレームワークを開発した。エネルギー保存則は確認されたが、磁気モーメントの長さが変化する際にはスピン角運動量が保存されないことが判明した。また、曲率テンソルに基づく手法を用いて有効な二スピン交換相互作用を抽出したところ、非加法的状態における多スピン相互作用の影響により、強いフラクチュエーションと制限が明らかになった。

ABSTRACT

We consider an implementation of the adiabatic spin dynamics approach in a tight-binding description of the electronic structure. The adiabatic approximation for spin-degrees of freedom assumes that the faster electronic degrees of freedom are always in a quasi-equilibrium state, which significantly reduces the numerical complexity in comparison to the full electron dynamics. Non-collinear magnetic configurations are stabilized by a constraining field, which allows to directly obtain the effective magnetic field from the negative of the constraining field. While the dynamics are shown to conserve energy, we demonstrate that adiabatic spin dynamics does not conserve the total spin angular momentum when the lengths of the magnetic moments are allowed to change, which is confirmed by numerical simulations. Furthermore, we develop a method to extract an effective two-spin exchange interaction from the energy curvature tensor of non-collinear states, which we calculate at each time step of the numerical simulations. We demonstrate the effect of non-collinearity on this effective exchange and limitations due to multi-spin interactions in strongly non-collinear configurations beyond the regime where the Heisenberg model is valid. The relevance of the results are discussed with respect to experimental pump-probe experiments that follow the ultra-fast dynamics of magnetism.

研究の動機と目的

• 非加法的磁気系のための制約付きタイトビンディング理論を用いた自己無撞着な断熱的スピンダイナミクス手法の開発。
• 磁気モーメントの長さが固定でない場合の断熱的スピンダイナミクスにおける保存則（特にエネルギーと角運動量）の検証。
• 非加法的状態におけるエネルギー曲率テンソルから有効な二スピン交換相互作用を抽出する手法の導出と検証。
• 特に超高速デマグニテーションおよび高温ダイナミクスの文脈において、強い非加法的状態における二スピン交換モデルの妥当性の評価。
• 無秩序局所モーメント（DLM）アプローチと比較し、多スピン相互作用がヘイゼンベルグモデルの限界を規定する役割を強調。

提案手法

• 非加法的磁気的状態を安定化するための制約場を用いた制約付きタイトビンディング電子構造理論を用いる。
• 電子的自由度がスピンダイナミクス中に準平衡状態を保つと仮定する断熱近似を適用する。
• 有効磁場を、スピン方向に関する電子エネルギーの負の勾配として導出し、制約場を用いて非加法的状態を強制する。
• 各時間ステップでエネルギー曲率テンソル Jαβij を計算し、等方的二スピンモデルのフィッティングにより有効交換相互作用 Jij を抽出する。
• 地面状態への緩和をモデル化するため、現象的ギルバート減衰をスピンダイナミクスシミュレーションに組み込む。
• Fe、Co、Niの二原子子およびスピン鎖を用いて、標準的なヘイゼンベルグ予想と比較することで、手法の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 磁気モーメントの長さが変化する場合、断熱的スピンダイナミクスにおいて全スピン角運動量は保存されるか？
• RQ2 ヘイゼンベルグ領域を超える強い非加法的状態において、有効な二スピン交換相互作用 Jij はどのように変化するか？
• RQ3 非加法的磁気系において、多スピン相互作用が二スピン交換モデルの妥当性をどの程度損なうか？
• RQ4 Jij のフラクチュエーションは、スピンダイナミクスシミュレーションによる臨界温度予測の信頼性にどのように影響するか？
• RQ5 非加法的状態において、エネルギー曲率テンソルを信頼性を持って有効な有効交換相互作用を抽出するのに使えるか？

主な発見

• 理論的定式化に従い、断熱的スピンダイナミクスシミュレーションにおいてエネルギーが保存されることを確認した。
• 磁気モーメントの長さが変化する場合、全スピン角運動量は保存されないことが、解析的および数値的に確認された。
• 初期のランダム非加法的状態では、最近接原子間の平均交換相互作用が、基底状態と比較して約10%増加した。
• 個々の交換相互作用には強いフラクチュエーションが見られ、非ヘイゼンベルグ的挙動が顕著であり、非加法的状態における二スピンモデルの限界が示された。
• 数値計算により、多スピン相互作用が強い非加法的状態における二スピン交換モデルの信頼性を制限することが明らかになった。
• 曲率テンソルに基づく手法は、有効な Jij を抽出するにあたり強固な手法であるが、完全な非局所的または多体効果を捉えることはできず、ヘイゼンベルグモデルを超えるモデルの必要性を強調している。