Zuschneiden von Austauschfrustration und Austausch höherer Ordnung für das Optimieren magnetischer Skyrmionen und Antiskyrmionen.

• Antragsteller: Dr. Stephan von Malottki
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung in 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 523127890

Hier untersuchen wir die Möglichkeiten und Grenzen von Austauschfrustration und Austauschwechselwirkungen höherer Ordnung (HOI) zur Stabilisierung magnetischer Skyrmionen und Antiskyrmionen in 2D-Materialien mit ferromagnetischer und antiferromagnetischer Ordnung und gehen damit über den üblichen Fokus auf DMI zur Stabilisierung dieser Strukturen hinaus. Zunächst führen wir groß angelegte automatisierte atomistische Spinsimulationen für den gesamten Parameterraum des berüchtigten erweiterten Heisenberg-Modells durch, einschließlich Austauschwechselwirkungen jenseits von nächsten Nachbarn und HOI. Aus diesen Zehntausenden von Simulationen extrahieren wir die Energiebarrieren von Null-Feld- und Sub-10-nm-Skyrmionen und Antiskyrmionen, was zu Parameterkriterien für datengesteuertes magnetisches Materialdesign führt. Im zweiten Teil des Projekts wenden wir Hochdurchsatz-DFT-Berechnungen an, um ultradünne Schichtkombinationen von Übergangsmetallen sowie Van-der-Waals-Heterostrukturen auf ihre Fähigkeit hin zu untersuchen, technologisch relevante Skyrmionen und Antiskyrmionen zu bilden. In einem ersten Schritt werden die Materialkombinationen nach ihren grundlegenden magnetischen Eigenschaften wie der Größe des magnetischen Moments und den Energien kollinearer magnetischer Zustände gefiltert. Für geeignete Materialien werden in weiteren Schritten die magnetokristalline Anisotropie, Austauschwechselwirkungen jenseits nächster Nachbarn und HOI-Parameter bestimmt. Vielversprechende Kandidaten, die die im ersten Teil des Projekts ermittelten Parameterkriterien erfüllen, werden durch atomistische Simulationen genauer untersucht und als neuartige Skyrmionen- und Antiskyrmionen-Materialien vorhergesagt.

• DFG-Verfahren: WBP Stipendium
• Internationaler Bezug: USA
• Gastgeber: Professor Dr. Geoffroy Hautier