Topologische orbitale Magnete an Oberflächen und Grenzflächen

• Antragsteller: Professor Dr. Stefan Heinze
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 555842692

Aufgrund ihrer faszinierenden topologischen und dynamischen Eigenschaften sind nicht-kollineare Spintexturen wie magnetische Skyrmionen - lokalisierte, wirbelartige Spinstrukturen - von großer fundamentaler Bedeutung als auch vielversprechend für eine Vielzahl zukünftiger Anwendungen in der Spinelektronik, die von Datenspeichern bis zu neuromorphen oder Quantencomputern reichen. Die nicht-triviale Spintopologie von Skyrmionen führt zu einem effektiven Magnetfeld wodurch der topologische Hall-Effekt verursacht wird. Dieser Transporteffekt ist essentiell für potentielle Anwendungen, da dadurch beispielsweise einzelne magnetische Skyrmionen elektrisch detektiert werden können. Eine weitere zentrale Konsequenz der Elektronenbewegung in dem fiktiven Magnetfeld ist das topologische orbitale Moment. Dieses kann in nicht-koplanaren Spinstrukturen auch ohne die Spin-Bahn-Kopplung auftreten. Ein prominentes Beispiel für diese Art von Spinstrukturen ist der 3Q-Zustand, in dem benachbarte Spins auf einem zwei-dimensionalen hexagonalen Gitter den Tetraederwinkel aufweisen. Dieser verblüffende Spinzustand wurde vor mehr als 20 Jahren vorhergesagt, konnte aber erst kürzlich experimentell in einem ultradünnen Filmsystem nachgewiesen werden. Experimentelle Hinweise für den spontanen topologischen Hall-Effekt im 3Q-Zustand wurden kürzlich in einem schichtartig-aufgebauten Volumenkristall gefunden. Allerdings ist es bislang nicht gelungen, die topologischen orbitalen Momente direkt nachzuweisen, und es wurden auch erst wenige Systeme studiert. In diesem Projekt wollen wir die Ausbildung topologischer orbitaler Momente und ihre Ordnung in verschiedenen Arten von Spinstrukturen und Materialklassen wie Übergangsmetallgrenzflächen, magnetischen Multilagen und zwei-dimensionalen (2D) van-der-Waals (vdW) Magneten und Heterostrukturen untersuchen. Wir werden ab-initio Elektronenstrukturtheorie basierend auf der Dichtefunktionaltheorie nutzen, um die elektronischen und magnetischen Eigenschaften der betrachteten Systeme zu bestimmen und die Spinmomente und orbitalen Momente zu berechnen. Ein Ziel besteht darin, neue Materialsysteme zu finden, die große topologische orbitale Momente aufweisen und sich dadurch zur Manipulation mit externen Magnetfeldern eignen. Dazu werden wir Systeme mit mehreren magnetischen Lagen untersuchen, die sich an Oberflächen sowie in 2D vdW Magneten realisieren lassen. Wir werden auch die Rolle der Spin-Bahn-Kopplung hinsichtlich der Ausbildung orbitaler Momente in nicht-koplanaren Spinstrukturen untersuchen. Atomistische Spinsimulationen werden verwendet, um die Struktur von Domänenwänden in nicht-koplanaren Spinzuständen zu bestimmen und um die Entstehung von lokalisierter topologischer orbitaler Magnetisierung zu studieren. Innerhalb dieses Projekts werden wir auch Möglichkeiten explorieren, um topologische orbitale Momente direkt in zukünftigen Experimenten beispielsweise mittels spin-polarisierter Rastertunnelmikroskopie nachzuweisen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen