Erforschung des Zusammenspiels von Magnetismus und elektronischen Eigenschaften in Monoschichten aus magnetischen topologischen Isolatoren

• Antragsteller: Alexey Alfonsov, Ph.D.; Joseph Dufouleur, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 545611182

Quantenmaterialien zeigen ein breites Spektrum kollektiver Phänomene, die durch die Quantenmechanik gesteuert werden, und versprechen viel für zukünftige Anwendungen. Insbesondere bei 2D-Materialien versprechen topologische Phasen wie der Quantenanomal-Hall-Effekt (QAH) potenzielle Anwendungen im Bereich der Spintronik, der Quantenmetrologie oder der Elektronik mit geringer Leistung. Der quantenanomale Hall-Effekt (QAH), der durch einen eindimensionalen Randkanal gekennzeichnet ist, der bei einem Magnetfeld von Null um eine isolierende Oberfläche zirkuliert, wurde erstmals vor fast einem Jahrzehnt in magnetisch dotierten topologischen 3D-Isolatoren (TI) beobachtet, war jedoch extrem schwierig zu reproduzieren und zu kontrollieren. Mit der Entdeckung intrinsisch magnetischer TI wie MnBi2Te4 (MBT) wurde kürzlich ein neues Paradigma entwickelt. In magnetischen TIs wird die Zeitumkehrsymmetrie im gesamten Volumen gebrochen, ohne dass der topologische Charakter beeinträchtigt wird, was zur Öffnung einer magnetischen Lücke in Oberflächenzuständen führt. Die MBT-Familie und andere magnetische TIs werden derzeit intensiv in den Bereichen Wachstum, Spektroskopie und Transport untersucht, um ihre elektronischen und topologischen Eigenschaften zu verstehen. Insbesondere die elektronischen, topologischen und magnetischen Eigenschaften sind stark miteinander gekoppelt und hängen mit der mikroskopischen Unordnung des Systems zusammen. In diesem Projekt soll das Zusammenspiel zwischen Magnetismus, elektronischen Eigenschaften und Topologie in Bulk- und Monoschichten von MBT durch Magnetotransportmessungen und Experimente mit elektrisch detektierter Elektronenspinresonanz (ED-ESR) untersucht werden. Zu diesem Zweck werden wir den Quantentransport in Nanostrukturen von hochwertigen epitaktischen MBT-Dünnschichten in bis zu sehr hohen Magnetfeldern sowie die Spindynamik des Systems mittels ED-ESR untersuchen. Insbesondere werden wir Heterostrukturen von MBT-Monolagen auf Bi2Te3 (monoMBT/BT) untersuchen, von denen man annimmt, dass sie ein neues ferromagnetisches QAH-System realisieren. Das Projekt ist auf zwei Hauptachsen ausgerichtet: 1. die Untersuchung der elektronischen Eigenschaften (effektive Masse, Bandverbiegung) von MBT-Dünnschichten bis hinunter zu Monoschichtdicken durch Quantenoszillationen (Shubnikov-de-Haas-Oszillationen) in hohen Magnetfeldern. 2. Untersuchung statischer und dynamischer Spin- und elektronischer Eigenschaften in dünnen Filmen und Monoschichten aus magnetischen topologischen Isolatoren MBT durch Quantentransport und ED-ESR. Um Informationen über die magnetische Unordnung zu erhalten, werden Quanteninterferenzen (universelle Leitfähigkeitsfluktuationen, Aharonov-Bohm-Effekt) bis zu sehr niedrigen Temperaturen gemessen. Darüber hinaus werden die Dynamik der Spins und ihre Wechselwirkung mit Leitungselektronen (trivial und topologisch) durch ED-ESR untersucht.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Partnerorganisation: Agence Nationale de la Recherche / The French National Research Agency
• Kooperationspartner: Professor Dr. Louis Veyrat