Untersuchung des Spin- und Ladungstransports durch kontaktierte Quantenspinketten mittels zeitabhängiger Dichte-Matrix-Renormierungsgruppe

• Antragsteller: Dr. Satoshi Ejima; Professor Dr. Holger Fehske
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 344071920

Antiferromagnetische Metalle und Isolatoren sind vielversprechende Kandidaten für die Kodierung, den Transport und die Verarbeitung von Information in neuartigen Spintronik-Bauelementen, die eine exzellente Performanz, hohe Sensitivität, geringen Energieverbrauch und leichte Handhabung versprechen. In diesen Systemen erfolgt die Signalübertragung maßgeblich durch Spinströme, nicht durch Ladungstransport. Um einen Spinstrom in die aktive (antiferromagnetische) Komponente zu injizieren, bedient man sich des (inversen) Spin-Hall-Effekts im Zuge elektrischer Schreib-, Lese- und Schaltprozesse. Im beantragten Forschungsprojekt modellieren wir eine generische Spintronik-Konfiguration durch eine (anisotrope) Quanten-Spin-1/2- (bzw. Spin-1-) Kette im äußeren Magnetfeld, eingebracht zwischen zwei- oder dreidimensionale Kontakte mit ausgeprägter Rashba- oder Dresselhaus-artiger Spin-Bahn-Kopplung, und berechnen, insbesondere, die Spin- und Ladungsströme durch diese Anordnung. Hierbei kombinieren wir de-facto näherungsfreie numerische Techniken, die zeitabhängige Dichtematrix-Renormierungsgruppe (in einer Matrix-Produkt-Zustand Formulierung) mit Block-Lanczos oder Baum-Tensor-Netzwerk Schemen. Diese Algorithmen werden parallelisiert und implementiert auf Höchstleistungsrechnern. Unserer theoretischer Zugang erlaubt dabei, durch geeignete Wahl des Spinkettenterms, die Beschreibung sowohl der (üblichen) ferromagnetischen als auch der antiferromagnetischen Situation, in der diffusiver bzw. ballistischer Transport erwartet wird. In Abhängigkeit von der Stärke der Anisotropie der Spin-Spin-Wechselwirkung realisiert die getriebene Spinkette dabei einen Zustand ohne bzw. mit Anregungslücke und dementsprechend unterschiedlichem Transportverhalten. Erhöht man die magnetische Feldstärke in letzterem Fall, kann die Spinanregungslücke geschlossen werden: dies eröffnet die Möglichkeit einer kontrollierten Beeinflussung des Spinstroms. Indem wir über die bisherigen (eher phenomenologischen) Ansätze der theoretischen Beschreibung der Spinwellenströme hinausgehen, gelingt es uns, intrinsische Quanteneffekte der antiferromagnetischen Spintronik zu analysieren und quantifizieren. Des Weiteren adressieren wir den spinabhängigen Transport durch Quanten-Spin-Ketten gekoppelt an topologische Isolatoren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen