Spinelektronik helikaler Randzustände in Wechselwirkung mit einem Quantenmagneten

• Antragsteller: Professor Dr. Piet W. Brouwer; Professor Dr. Patrik Recher
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 392402582

Die Existenz helikaler Randzustände ist eine Haupteigenschaft zwei-dimensionaler topologischer Isolatoren. Diese Randzustände sind gegen Einteilchen-Rückstreuung in der Abwesenheit zeitumkehrbrechender Felder geschützt. Im Kontakt mit einem magnetischen Isolator entsteht durch das Austauschfeld eine Lücke im Spektrum der helikalen Randzustände. Überraschenderweise versetzt das Anlegen einer elektrischen Spannung die Magnetisierung des Magneten in eine Rotationsbewegung durch welche er Ladung so pumpen kann, dass die quantisierte Quanten-Spin-Hall Leitfähigkeit zurückgewonnen wird, obwohl eine Lücke im Spektrum existiert, wenn der Magnet seine eigene Dynamik mit einer korrekt definierten "leichten" Ebene Anisotropie besitzt. Dies führt zu faszinierenden Transport- und Rauscheigenschaften und wurde als Plattform für die Realisierung eines adiabatischen Quantenmotors vorgeschlagen.Aufbauend auf unserer gemeinsamen Arbeit [Silvestrov, Recher, und Brouwer, Phys. Rev. B 93, 205130 (2016)], schlagen wir in diesem Antrag vor, dieses aussergewöhnliche System in neue Richtungen, wie die Untersuchung thermoelektrischer Effekte zu erweitern. Ausserdem wollen wir Aspekte der theoretischen Modellierung über das in früheren Arbeiten von uns und anderen benutzte idealisierende Modell hinaus untersuchen. Konkret wollen wir in einem ersten Teil von Projekten, thermoelektrische Effekte und Anwendungen wie "Thermomagnetisierung", ein "thermischer Quantenmotor" und einen mesoskopischen "Elektronen Kühler" mit dem bereits bekannten Modell eines Quantenmagneten mit "leichter" Ebene der durch Austausch Wechselwirkung an einen helikalen Randkanal gekoppel ist, untersuchen. Weitere Forschungsrichtungen beinhalten nichtlinearen Transport, niederfrequentes Rauschen, Magnetisierungsfluktuationen sowie Interferenzeffekte. Die zweite Hälfte des Antrages ist der Generalisierung des idealiserten Modells gewidmet. Wir planen die Landau-Lifshitz Gleichungen für die strom- bzw. spannungsgetriebene Dynamik der Struktur mit weniger Symmetrien als in den ursprünglichen Publikationen zu benutzen. Wir erwarten neue interessante Signaturen in der Strom-Spannungs-Kennlinie und in der Magnetisierungsdynamik. Weitere zu untersuchende Eigenschaften sind die eines Magneten mit mehreren Freiheitsgraden und die eines metallischen Magneten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen