Van-der-Waals-Magnete: Frustrierter Magnetismus, Magnetotransport, und optisch getriebene Anregungen

• Antragsteller: Dr. Urban Seifert
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2020 bis 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449890867

Viele festkörperphysikalische Systeme zeigen in niedrigen Dimensionen neuartige Phänomene und Eigenschaften, die sich fundamental von den jeweiligen entsprechend verwandten drei-dimensionalen Systemen unterscheiden. Eine besonders viel-versprechende Plattform, um zweidimensionale Phänomene zu untersuchen und insbesondere auch Systeme mit gewünschten Eigenschaften gezielt zu konstruieren, stellen Heterostrukturen mit wenigen Schichten und van-der-Waals (vdW) Zwischenlagen-Kopplungen dar. Diese erlauben beispiellose Kontrolle und Untersuchungsmöglichkeiten über stark korrelierte Elektronen, etwa durch relative Verschiebungen und Verdrehungen der Schichten, oder elektrisches Gating.Seit im Jahre 2017 erste Belege für magnetische Ordnung in Mono- und Zwei-Lagen vdW Materialien entdeckt wurden, konnten diverse Ferro- und Antiferromagnetische Ordnungen in verschiedenen vdW-Heterostrukturen identifiziert werden. Experimentelle Studien finden in diesen Systemen typischerweise starke magnetooptische Effekte, neuartigen Magnetismus-abhängigen elektronischen Zwischenlagen-Transport, sowie starke Kopplungen zwischen magnetischen und Gitter-Freiheitsgeraden. Ziel des vorliegenden Projekts ist es, einerseits ein theoretisches Verständnis der experimentell entdeckten neuen Phänomene in magnetischen vdW Heterostrukturen zu erlangen, und andererseits relevante Systeme und Protokolle für zukünftige Experimente zu identifizieren und vorzuschlagen.Im ersten Teil des vorliegenden Projekts soll der Einfluss von Spin-Gitter-Wechselwirkungen auf die nicht-kollinearen Grundzustände von kürzlich vorgeschlagenen Moiré-Magnete, die aufgrund einer leichten relative Verdrehung zweier magnetische Schichten frustriert sind, betrachtet werden.Zweitens wird untersucht, inwiefern ein externes magnetisches Feld neue geordnete Phasen in diesen Moiré-Magneten stabilisieren kann. Hierzu wird eine Theorie für das Zwischenlagen-Tunneln von Magnonen für beliebige Verschiebungen zwischen den Schichten entwickelt.Der dritte Teil des Projekts befasst sich mit der Modellierung des elektronischen Zwischenlagen-Transport in halbleitenden vdW-Magneten, der sensitiv auf die magnetische Ordnung des Systems ist. Dieser beispielsweise in CrI3 beobachtete neuartige Effekt soll im Rahmen eines effektiven-Massen-Modells für die niederenergetische Elektronen, das dann an eine Kontinuums-Theorie für die magnetischen Ordnungsparameter gekoppelt wird, untersucht werden.Schließlich wird im vierten Teil erkundet, inwiefern ultraschnelle optische Methoden dazu dienen können, Spin-Wellen-Moden und Nichtgleichgewichts-Dynamik in vdW-Magneten anzuregen. Ein besonderes Augenmerk liegt hierbei auch auf der starken Spin-Gitter-Kopplung, die zur Manipulation der magnetischen Ordnung ausgenutzt werden könnte.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Leon Balents, Ph.D.