Schmelzen chiraler magnetischer Kristalle nahe Temperatur Null

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Garst
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 324327023

Die Magnetisierung von Ferromagneten, deren atomares Gitter keine Inversion-Symmetrie aufweist und eine Chiralität besitzt wie z.B. das Metall MnSi oder der Isolator Cu2OSeO3, ist räumlich moduliert auf Längenskalen, die umgekehrt proportional zur Spin-Orbit Wechselwirkung ist. Dies führt zu periodischen magnetischen Texturen, die man als magnetische Kristalle bezeichnen kann. Es existieren sowohl ein- als auch zweidimensionale magnetische Kristalle, die der magnetischen Helix beziehungsweise dem sogenannten Skyrmion-Gitter entsprechen. Skyrmionen sind magnetische Texturen mit einer nicht-trivialen Topologie, die zu einer starken Kopplung an itinerante Elektronen führt mit spektakulären Konsequenzen wie z.B. einer emergenten Elektrodynamik. Im Fokus dieses Antrages steht die theoretische Untersuchung des Quantenphasenübergangs zwischen einem Paramagneten und solch einem eindimensionalen magnetischen Kristall, d.h. der Helix, den man als Schmelz- bzw. Kristallisationsprozess betrachten kann. Dementsprechend sollen zwei komplementäre Betrachtungen dieses Übergangs durchgeführt werden. Zunächst sollen die Defekte der Helix klassifiziert und deren Eigenschaften untersucht werden. Ähnlich wie bei einem cholesterischen Flüssigkristall sind dies insbesondere Dislokationen. Diese Dislokationen sind massgeblich für die Relaxation der Helixstruktur verantwortlich und diese Dynamik soll theoretisch näher untersucht werden. Insbesondere soll geklärt werden, ob diese Defekte ebenfalls wie die Skyrmionen eine topologische Ladung tragen, die zu einer emergenten Elektrodynamik führt. Das Schmelzen der helikalen Ordnung geschieht nun durch Proliferation dieser Dislokationsdefekten. In Analogie zu Arbeiten von Kosterlitz und Thouless, soll eine effektive Theorie für den Schmelzprozess hergeleitet werden, die die Dislokationen als Ladungen eines effektiven Plasma beschreibt. Komplementär kann man den Übergang auch als sogenannten schwachen Kristallisationsprozess betrachten, deren Theorie von Brazovskii in den 1970er Jahren entwickelt wurde. Diese Theorie beschreibt erfolgreich den Übergang bei endlicher kritischen Temperatur. Es ist geplant, diese Theorie auf den Quantenphasenübergang zu verallgemeinern. Motiviert sind diese geplanten Untersuchung u.a. von dem anomalen metallischen Verhalten von MnSi, das für Drücke jenseits des Quantenphasenübergangs ein Temperaturverhalten T^{3/2} des elektrischen Widerstandes zeigt, das im Widerspruch zur Fermiflüssigkeitstheorie steht und seit Jahren unverstanden geblieben ist. Es soll u.a. geklärt werden, ob eine Streuung der Elektronen an Dislokationslinien ein solches Verhalten erklären könnte. Das Ziel der Untersuchung ist somit den Zusammenhang zwischen Topologie, starken Korrelationen und nicht-Fermiflüssigkeitsverhalten in den metallischen chiralen Magneten zu beleuchten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Kooperationspartner: Professor Dr. Christian Pfleiderer