Magneto-thermo-elektrische Effekte in der antiferromagnetischen Spintronik

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Gönnenwein; Professor Jairo Sinova, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445976410

Dieses Projekt befasst sich mit neuartigen Transportmechanismen in komplexen Antiferromagneten (AF). Im Mittelpunkt stehen die experimentelle Beobachtung und die theoretische Beschreibung der sogenannten kristallinen, topologischen und anomalen Beiträge zum Hall-Effekt (HE) und Spin-Hall-Effekt, sowie ihre thermischen Analoga (Nernst-Effekte). Diese Transportphänomene werden durch die Wechselwirkung von Kristallsymmetrie, Topologie und AF-Spinstruktur bestimmt. Sie spielen für das aufstrebende Gebiet der antiferromagnetischen Spintronik eine zentrale Rolle, und könnten sich als essentiell für die Entwicklung neuer spintronischer Bauelemente erweisen. Im Bereich der Spintronik hat die Umwandlung von Ladungs- in Spinströme zu wichtigen grundlegenden Erkenntnissen und neuen Anwendungen geführt. Dabei hat sich gezeigt, dass der Spin-Hall-Effekt (SHE) als zentraler Mechanismus für die Spin-Ladungs-Konversion mikroskopisch durch sehr unterschiedliche Prozesse bedingt sein kann. Allgemein werden Hall-Effekte heute durch extrinsische oder intrinsische Spin-Bahn-Kopplung ("anomaler" HE, AHE), durch nicht-triviale Spinstrukturen ("topologischer" HE, THE), oder durch einen Bruch von Orts- und Zeit-Umkehrsymmetrie aufgrund von spezifischen Atomanordnungen ("kristalliner" HE, CHE) erklärt. Für die Untersuchung dieser verschiedenen Mechanismen und ihrer thermischen Analoga (Nernst-Effekte) bilden AF mit verschiedenen Spinstrukturen eine ideale Plattform.Allerdings wurde der CHE bisher experimentell nicht beobachtet, zum kristallinen Nernst-Effekt existieren keinerlei Untersuchungen. Diese Effekte stehen daher im Mittelpunkt dieses Projekts. Um sie systematisch zu erforschen, werden wir uns auf Mn5Si3 als Materialplattform konzentrieren. Insbesondere wollen wir den metamagnetischen Phasenübergang von Mn5Si3 (AF mit einer chiralen Spinstruktur unterhalb von 65K, kollinear oberhalb) nutzen, um die Beiträge von CHE und THE zu trennen bzw. gezielt zu beeinflussen. Die Untersuchung der entsprechenden Nernst-Effekte erfolgt analog. Insgesamt wird die systematische theoretische und experimentelle Untersuchung eines Modellsystems somit den Schlüssel zum Verständnis der verschiedenen Effekte und der entsprechenden Mechanismen liefern.Die Hauptziele des Projekts sind:- die Herstellung von hochwertigen kristalline Mn5Si3-Dünnschichten,- die experimentelle Beobachtung und die theoretische Modellierung von kristallinem Hall-Effekt, topologischem Hall-Effekt und anderer Hall-Effekte bzw. Nernst-Effekte in Mn5Si3, als Funktion von Spinstruktur, Kristallorientierung und elastischer Verspannung. - eine kritische Überprüfung der Mott-Relationen, d.h. der Beziehung zwischen Ladungs- und Wärmetransport, in AF mit nicht-trivialer Struktur,- die Aufklärung des Wechselspiels zwischen dem inversen SHE und nichtlinearen magnetischen Fluktuationen in der Nähe von magnetischen Phasenübergängen, und die Nutzung dieses Effekts zur Messung des magnetischen Ordnungsparameters.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartnerinnen / Kooperationspartner: Professor Dr. Vincent Baltz; Professorin Dr. Lisa Michez