Magnetism and dynamics of oxide interfaces (electronic theory)

Abstract

Diese Arbeit ist den Erforschungen von elektronischen und magnetischen Eigenschaften der Metall-Ionen, die im Inneren und an der Oberfläche der Monoxide der Übergangsmetallen liegen, gewidmet. Die Beschreibung der Elektronenstruktur solcher Ionen basiert auf der Kristallfeldtheorie (KFT). Diese Theorie beschreibt effektiv die Systeme, dessen Verhalten sich hauptsächlich durch die stark korrelierten Elektronen der äußeren unvollständigen Schale, in diesem Fall 3d-Elektronen, definieren lässt. Die KFT wurde in vielen Lehrbücher als Beispiel, das die Spaltung der durch Zusammenwirkung mit dem Ligandenfeld entstandenen Schichten zeigt, angesprochen. Ihre vollendete Verwirklichung ist eine komplizierte Aufgabe und erfordert ein spezielles Herangehen. In dieser Arbeit berücksichtigen wir alle Wirkungen des Kristallfeldes. Drei uns interessierte Stoffe NiO, CoO und FeO wurden im Rahmen dieser Theorie beschrieben und deren Elektronenzustände berechnet. Die KFT-Beschreibung der Systeme gibt uns die Möglichkeit, experimentell zugängliche Größen zu berechnen, was die Anwendbarkeit der Theorie bestätigt und uns einige Vorhersagen erlaubt. Um unsere Ergebnisse zu kontrollieren, verwenden wir die Resultate von KFT für die Berechnung der Antwort des Systems auf das äußere Laserfeld. Die Zusammenwirkung von Ionen mit dem Laserfeld führt zu verschiedenen physikalischen Phänomenen. Wir konzentrieren uns nur auf einer, auf die Frequenzverdopplung (SHG - Second Harmonic Generation). Die Symmetrie-Analyse der optischen SHG für die verschiedenen magnetischen Zustände eines Systems zeigt die starke Abhängigkeit des ausgehenden SHG-Signals von der magnetischen Struktur des Systems. Ein optisches SHG-Experiment kann verschiedene Arten des Magnetismus unterschieden und in mehreren Fällen magnetische Domänen sichtbar machen.

This work is devoted to the investigations of electronic and magnetic properties of transition metal ions positioned in bulk and within interfacial layers of transtion metal monoxides (TMMO). The description of the electronic structure is based on Crystal Field Theory (CFT), which efficiently handles the systems whose behavior is mostly determined by strongly correlated electrons of the outermost incomplete shell (in this work 3d-electrons). Although CFT is sketched in many of the textbooks as an example to show multiplet splitting due to the interaction with the field of ligands, its complete many-particle realization is rather complicated and requires a careful treatment. In this work we completely take into account all the crystal field effects. Three materials of interest (NiO, CoO, and FeO) are described and their electronic states have been computed within this theory. The description of the system, provided by CFT gives a possibility to compute its characteristics which can be measured in experiment. In order to prove our results we applied CFT data to compute the response of the system to the external laser light. The interaction of ions with the light created in the medium by the initial laser field gives rise to many physical phenomena, of which one considered here is Second Harmonic Generation (SHG). We have chosen the SHG as an exemplary method to give an information about the domains and the orientations of magnetic moments in the material. Since the metal ions in TMMO are ordered antiferromagnetically, we use the magnetic point groups to find the symmetry of the nonlinear dielectric susceptibility tensor for the materials under consideration.