Orbitaler Magnetismus und damit zusammenhängende Phänomene in topologischen Metallen

• Antragsteller: Dr. Tomas Rauch
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 370878787

Topologische Materialien wurden in den letzten Jahrzehnten intensiv studiert, weil ihre elektronischen Zustände sich fundamental von jenen gewöhnlicher Materialien unterscheiden, was zu neuen Effekten führt. Die Topologie der Bänder kann durch topologische Invarianten charakterisiert werden, deren ganzzahlige Werte unter stetigen Deformationen konstant bleiben. Sie ändern sich nur bei topologischen Phasenübergängen, die mit unstetigen Änderungen der Volumenbandstruktur einhergehen. Weiterhin besitzen topologische Materialien Oberflächenzustände, die spinpolarisierte Ströme dissipationsfrei leiten können. Das macht sie zu vielversprechenden Kandidaten für Anwendungen in der Spintronik.In den meisten bisherigen Anwendungen wird der Spinanteil der Magnetisierung kontrolliert und manipuliert. In den letzten Jahren wurde erkannt, dass in manchen Klassen von nicht-magnetischen Materialien große orbitale Momente elektrisch erzeugt werden können, und dass diese Effekte mit der Topologie der Bänder zusammenhängen. In topologischen Isolatoren kann ein angelegtes elektrisches Feld eine orbitale Magnetisierung erzeugen, wobei der lineare magnetoelektrische (ME) Koeffizient diskrete Werte annimmt, die, verglichen mit gewöhnlichen ME-Materialien, sehr groß sind. Große orbitale Momente können auch in manchen Klassen nicht-magnetischer Metalle erzeugt werden, wenn durch sie ein elektrischer Strom geleitet wird. Eine Bedingung für die Existenz dieses kinetischen ME-Effekts ist die gebrochene Inversionssymmetrie der Kristallstruktur. Diese Eigenschaft ist charakteristisch auch für die Klasse der topologischen Weyl-Semimetalle, was diese zu geeigneten Kandidaten für die Realisierung dieses ME-Effekts macht. In den beiden genannten Beispielen wird Magnetismus elektrisch in Systemen erzeugt, die im Grundzustand keine magnetische Ordnung besitzen. Das eröffnet interessante Möglichkeiten für die neue Spin-Orbitronik.Das Ziel des vorgeschlagenen Projekts ist die Untersuchung der orbitalen Magnetisierung in topologischen Materialien und insbesondere der Möglichkeiten zur Erzeugung orbitaler Momentedurch äußere Einflüsse, sowie die Untersuchung zusammenhängender optischer Effekte, mit deren Hilfe die nicht-triviale Topologie der Bänder geprüft werden kann. Aufbauend auf vorherigen erfolgreichen Untersuchungen elektrischer Eigenschaften topologischer Isolatoren, Weyl-Semimetalle und Nodal-Line Semimetalle werden die orbitale Magnetisierung und die optischen Antwortfunktionen in diesen Systemen berechnet. Insbesondere werde ich mich auf die semimetallischen Phasen konzentrieren, die letztlich zum wichtigen Forschungsgebiet geworden sind. Speziell ihre Antwort-Eigenschaften auf äußere Einflüsse sind von großem Interesse und weitgehend unerforscht. Die Ergebnisse dieses Projekts werden es ermöglichen, realistische Materialien zu identifizieren, die als schaltbare Elemente in der Spin-Orbitronik Verwendung finden können.

• DFG-Verfahren: Forschungsstipendien
• Internationaler Bezug: Spanien
• Gastgeber: Professor Ivo Souza