[論文レビュー] Giant magnetic anisotropy of transition-metal dimers on defected graphene from the first-principles calculations

Jun Hu, Ruqian Wu|arXiv (Cornell University)|May 26, 2013

Graphene research and applications被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、第一原理計算を用いて、欠陥を有するグラフェン上に配置された遷移金属ディマー—具体的には単一空孔上に配置されたPt-Irと窒素修飾された二重空孔上に配置されたOs-Ru—が、巨大な磁気異方性エネルギー（MAE > 60 meV）を示すことを示した。このMAEは、外部電場による構造的安定性および調整可能性を実現し、室温でのスピントロニクスおよび量子計算応用に有望な候補である。

ABSTRACT

Continuous miniaturization of magnetic units in spintronics and quantum computing devices inspires efforts to search for magnetic nanostructures with large magnetic anisotropy energy (MAE). Typical nanostructures including molecular magnets, magnetic nanoclusters and magnetic nanowires have MAEs of a few meV so their blocking temperature is mostly lower than 50 K. In this work, we demonstrated the feasibility of achieving giant MAE in systems with transition metal dimers on defected and decorated graphene, based on density functional theory calculations. In particular, either a Pt-Ir dimer on a single vacancy or an Os-Ru dimer on a nitrogen-decorated divacancy possesses an MAE larger than 60 meV and high structural stability. Interestingly, their magnetic anisotropy can be conveniently manipulated by using external electric field. These features make them good candidates for the use in room temperature spintronics and quantum computing devices.

研究の動機と目的

• 室温でのスピントロニクスおよび量子計算デバイスに適した、極めて高い磁気異方性エネルギー（MAE）を示す磁気的ナノ構造を同定すること。
• 欠陥を有するおよび修飾されたグラフェン基板上に支持された遷移金属ディマーで、巨大なMAEを達成する可能性を検討すること。
• 外部電場下でのこれらのディマーの構造的安定性および調整可能性を調査すること。
• 従来の磁気的ナノ構造（MAE < 5 meV、遮断温度50 K未満）の制限を克服できるかどうかを特定すること。

提案手法

• 遷移金属ディマーの電子的および磁気的性質をモデル化するため、密度汎関数理論（DFT）計算を用いる。
• 磁気異方性に与える影響を評価するため、単一空孔および窒素修飾された二重空孔を含む系をシミュレートする。
• スピン量子化軸を表面平面に沿う方向と垂直方向にしたときの全エネルギー差を用いて、磁気異方性エネルギー（MAE）を計算する。
• 外部電場を印加して、ディマー系における磁気異方性の調整可能性を調査する。
• エネルギー最小化およびフォノン分散解析を用いて、構造的安定性を評価する。
• 大きなMAEの起源を理解するため、スピン磁気モーメントおよび軌道的寄与を分析する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 欠陥を有するグラフェン上に配置された遷移金属ディマーは、従来の磁気的ナノ構造と比較して顕著に高い磁気異方性エネルギーを示すことができるか？
• RQ2 グラフェンに単一空孔または窒素修飾された二重空孔が存在する場合、吸着した遷移金属ディマーの磁気異方性にどのような影響を与えるか？
• RQ3 外部電場を用いることで、これらのディマーの磁気異方性をどの程度まで調整可能か？
• RQ4 これらのディマー系は、常温および外部場下でどの程度の構造的安定性を示すか？
• RQ5 観察された巨大なMAEの主な電子的および軌道的寄与は何か？

主な発見

• グラフェンの単一空孔上に配置されたPt-Irディマーは、60 meVを超える磁気異方性エネルギー（MAE）を示し、高温での動作に優れた可能性を示している。
• 窒素修飾された二重空孔上に配置されたOs-Ruディマーも、60 meVを超えるMAEを達成しており、異なる欠陥構造に対しても頑健であることが示された。
• 両方のディマー系とも、エネルギー最小化およびフォノン分散計算により高い構造的安定性を確認した。
• 外部電場を印加することで、これらのディマーの磁気異方性を効果的に調整でき、磁気的配向の動的制御が可能である。
• 巨大なMAEは、主に遷移金属原子における強いスピン軌道結合および顕著な軌道モーメント寄与に起因している。
• これらの発見は、欠陥を制御したグラフェンに遷移金属ディマーを担持する系が、室温でのスピントロニクスおよび量子計算デバイスの実現に有効なプラットフォームである可能性を示唆している。