Dirac Materialien in Verbindungen mit quadratischen Gittern

• Antragsteller: Dr. Christian Reinhard Ast, seit 9/2017
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese ; Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 335449904

Ein großer Teil der gegenwärtigen Grundlagen- und auch angewandten Forschung beschäftigt sich mit sogenannten dreidimensionalen (3D) Dirac Halbmetallen. Dabei handelt es sich um dreidimensional ausgedehnte Materialien, die die gleiche elektronische Struktur wie Graphen aufweisen. Dieses große Interesse basiert zum einen auf ihren ungewöhnlichen physikalischen Eigenschaften, wie etwa ihrer sehr hohen Magnetwiderstände und Ladungsträgermobilitäten, zum anderen bietet sich die Möglichkeit neue, aus der Hochenergiephysik prognostizierte Partikel nachzuweisen, sofern die elektronische Struktur kompatibel ist. Trotz dieser vielversprechenden Eigenschaften weist der Großteil der derzeitig bekannten 3D Dirac Halbmetalle signifikante Nachteile auf, entweder in Bezug auf ihre fundamentalen Eigenschaften oder ihre potentielle Anwendung (z.B. aufgrund von Instabilität unter Normalbedingungen, hohen Produktionskosten oder Toxizität). Das Ziel dieses Antrags ist die Entdeckung neuer 3D Dirac Halbmetalle welche keine der oben genannten Nachteile aufweisen. Erst vor kurzem konnten wir mit ZrSiS solch ein neues Material synthetisieren und charakterisieren. ZrSiS weist dabei nicht nur eine bemerkenswerte elektronische Struktur auf, es ist darüber hinaus auch ungiftig, unter Normalbedingungen stabil und kostengünstig in der Herstellung. In der Bandstruktur sind die linearen Bänder in weiten Energiebereichen dispergiert, was es ermöglicht, dass das Fermi Level trotz vieler Defekte noch im Bereich der linearen Bänder liegt. Desweiteren,zeigt die Bandstruktur einen Dirac Konus welcher von nicht-symmomorpher Symmetrie geschützt ist. Dabei handelt es sich um ein Translationssymmetrieelement welches in vielen theoretischen Vorhersagen genutzt wird um neue 3D Dirac Halbmetalle und auch neue Fermionen vorherzusagen. Wir konnten hierbei als erste Forschungsgruppe zeigen, dass diese vorhergesagten elektronischen Strukturen auch experimentell beobachtet werden können. ZrSiS ist ein optimaler Ausgangspunkt für die Suche nach neuen 3D Dirac Halbmetallen. Zum einen kristallisiert es in dem häufig vorkommenden PbFCl-Strukturtyp, zum andere scheint die außergewöhnliche elektronische Struktur direkt mit dem Auftreten einer quadratischen Anordnung der Atome zusammenzuhängen. Diese Atomanordnung wird auch in vielen anderen Strukturtypen beobachtet womit sich eine große Anzahl potentiell interessanter Kandidaten bietet. Unser Ziel ist es diese Materialien gezielt mit ab initio quantenmechanischen Berechnungen zu identifizieren, sie anschließend zu synthetisieren und mit Winkelaufgelöster Phontonemessionspektroskopie (ARPES) und Transportmessungen zu analysieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Ehemalige Antragstellerin: Professorin Dr. Leslie Mareike Schoop, bis 8/2017