A mágnesség atomi méretskálákon a lokalizált mágneses momentumok vagy spinek irányával írható le. A spinek párhuzamos beállásával jellemzett ferromágneses vagy antiferromágneses rendeződéssel ellentétben a nemkollineáris spinszerkezetekben a mágneses momentumok iránya jelentősen változik nagyon rövid hosszskálákon. Ilyen szerkezetekre példák az egydimenziós doménfalak és spinspirálok, a kétdimenziós skyrmionok és a háromdimenziós hopfionok. A legújabb kísérleti módszerek lehetővé teszik a nanoméretű csavarodó spinszerkezetek leképezését, illetve detektálását transzportmérésekkel. Ha a spinek mikrométeres hosszskálán fordulnak el, a szerkezetek általában jól leírhatók kétspin-kölcsönhatásokkal, mint a Heisenberg- vagy a Dzjalosinszkij-Moriya-kicserélődés. A többspin-kölcsönhatások olyan spinszerkezetekben válnak jelentőssé, ahol a momentumok iránya jelentősen változik szomszédos atomok között.
A kiírt témában megvizsgálásra kerül, hogy milyen típusú nemkollineáris szerkezetek stabilizálhatók a többspin-kölcsönhatások segítségével, illetve ezek miben különböznek a kizárólag kétspin-kölcsönhatások által stabilizált mágneses konfigurációktól. A hallgató megismeri a többspin-kölcsönhatások általános csoportosítását szimmetriaelvek alapján. Ezeket a különböző típusú kölcsönhatásokat beépíti az intézetben fejlesztett spindinamikai szimulációs kódba annak érdekében, hogy a kölcsönhatások által stabilizált szerkezetek egyensúlyi tulajdonságait és dinamikáját tanulmányozza. A téma lehetőséget nyújt az együttműködésre egy elméleti csoporttal az egyetemen a többspin-kölcsönhatások első elveken alapuló kiszámolásának céljából, illetve a nemzetközi kísérleti és elméleti kollégákkal való közös munkára.

Magnetism on the atomic scale is characterized by the direction of the localized magnetic moments or spins. In contrast to ferromagnetic or antiferromagnetic ordering where the spins are parallel to each other, the magnetic moment directions in non-collinear spin structures considerably vary on very short length scales. Examples of such structures include one-dimensional domain walls and spin spirals, two-dimensional magnetic skyrmions and three-dimensional hopfions. Recent advances in experimental techniques facilitate the imaging of such nanometer-sized twisting spin structures, as well as their detection based on transport signatures. If the rotation of the spins occurs on a micrometer length scale, the structures may usually be well described by two-spin interaction terms, such as the Heisenberg or the Dzyaloshinsky-Moriya exchange. Multi-spin interactions become relevant in spin structures where the direction of the moments significantly changes between neighbouring atoms.
In the proposed project, it will be investigated what types of non-collinear spin structures may be stabilized by multi-spin interactions, and how they differ in their characteristics from magnetic configurations stabilized exclusively by two-spin interactions. The student will learn about the general classification of multi-spin interactions based on symmetry arguments. These different types of interactions are to be implemented in the spin dynamics simulation code developed at the institute in order to study the equilibrium properties of spin structures stabilized by them, and to explore their dynamics. The project will provide the opportunity to collaborate with a theoretical group at the university on the calculation of multi-spin interactions from first principles, and with international experimental and theoretical colleagues.