Elektronische Eigenschaften von topologischen Materialien und NMR

• Antragsteller: Professor Dr. Jürgen Haase
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 442459148

Mittels kernmagnetischer Resonanz (NMR) haben wir kürzlich entdeckt, dass die besonderen elektronischen Eigenschaften topologischer Materialien zu speziellen Signaturen in den Spektren führen. Zum Beispiel verursacht die Energieband-Inversion, welche die topologischen Eigenschaften bedingt, eine Änderung der lokalen Ladungssymmetrie, so dass bei einer Inversion am Zonenzentrum eine NMR Quadrupolaufspaltung auftritt, die mit quanten-chemischen Rechnungen übereinstimmt. Weniger gut verstanden ist unsere Beobachtung einer durch das Magnetfeld induzierten Veränderung der lokalen Ladungssymmetrie, die zu einer von der Orientierung unabhängigen Quadrupolaufspaltung führen kann, wenn der Kristall im Feld gedreht wird - in der Festkörper-NMR ging man bislang immer davon aus, dass die lokale Ladungssymmetrie durch das chemische Gitter bestimmt ist. Wir vermuten, dass die, diesen Systemen inhärente Spin-Bahn-Kopplung die Elektronen in Eigenzustände des Gesamtdrehimpulses zwingt, so dass sie bis zu einem gewissen Grad der Richtung des Magnetfeldes folgen können - ein Effekt, den man nur aus der Atomphysik kennt. Die endliche Lebensdauer dieser Elektronen muss dann zu neuen Relaxationsmechanismen für Atomkerne führen, quadrupolar wie magnetisch. Letztlich haben wir auch eine starke indirekte Kern-Kern-Wechselwirkung aufgedeckt. Sie ist vielleicht nicht ganz unerwartet in diesen Materialien mit kleiner Energie-Lücke, aber die eigens dafür entwickelte Theorie scheint bislang nur qualitativ mit unseren Messungen übereinzustimmen. Eine solcher Mechanismus ist auch von besonderer Bedeutung für die Wechselwirkung von magnetischen Störstellen, die viele Gruppen untersuchen.Wir möchten diese neuen Effekte genauer untersuchen, auch in anderen topologischen Materialien, z.B. Bi2Se3 mit verschiedenen Ladungsträger-Dichten, oder Bi2Te2Se, Sb2Te3 und Bi(1.08)Sb(0.9)Sn(0.02)Te2S, sowie in Materialien mit komplexer, nicht-trivialer Band-Topologie der Bi(x)Te(M)-Familie (x=1,2,3, M= I, Br). Eine weiterhin enge Kollaboration mit theoretisch arbeitenden Gruppen sichert ein tieferes Verständnis der neuen Effekte.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen