Frustration und Fluktuationen in Altermagneten

• Antragsteller: Professor Dr. Mathias Scheurer
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 571588623

Altermagnetismus (AM) hat sich vor Kurzem zu einem sehr aktiven Forschungsfeld der kondensierten Materie entwickelt. Es bezeichnet eine Klasse magnetischer Ordnungen, bei denen die Magnetisierung aufgrund einer Kombination von Zeitumkehr- und Punktsymmetrie verschwindet. Im Gegensatz zu Antiferromagnetismus, wo Translation die magnetischen Untergitter verbindet, führt AM zu einer Impuls-abhängigen Spin-Aufspaltung der elektronischen Bänder. Die Aufspaltung ist keine relativistische Korrektur und kann daher viel größer sein als die der Spin-Bahn-Kopplung, was Altermagnete attraktiv für spintronische Anwendungen macht. Trotz intensiver Forschung, gibt es allerdings weiterhin viele interessante offene Fragen. Obwohl die Konsequenzen statischen AM für die Quantenphysik (z.B. Bandaufspaltung und Supraleitung) im Detail studiert wurden, gibt es vergleichsweise wenige Arbeiten über den Einfluss von starken Quantenfluktuationen auf altermagnetische Ordnung selbst. Es gibt auch viele weitgehend unstudierte Fragen selbst zu thermischen Fluktuationen, zum Thema überbleibende („vestigial“) Ordnung und zur Spektral-Funktion von Elektronen bei fluktuierendem AM. Gleichzeitig ist zu erwarten, dass Fluktuationen reichhaltig und relevant für Altermagnete sind, da diese oft komplexe magnetische Einheitszellen haben, was zu Frustration führt. Dies motiviert uns in diesem Projekt, die Konsequenzen starker Fluktuationen, thermisch und quantenmechanisch, für AM und „benachbarte“ Ordnungen, die durch Frustration energetisch nahe liegen, zu analysieren. Sowohl für isolierende als auch für itinerante Systeme werden wir die resultierenden komplexen Phasen-Diagramme studieren, inklusive Phasen wo nur ein Teil des AM oder einer benachbarten Ordnung übrigbleibt. Wir werden die charakteristischen spektralen Signaturen starker Fluktuationen und die Folgen für Supraleitung untersuchen, sowie altermagnetische Systeme identifizieren, wo Fluktuations-Effekte besonders prominent und interessant sind. Neben Fluktuationen als Ursache der reichhaltigen Physik, werden wir auch studieren, wie diese zur Untersuchung von AM verwendet werden können. Dazu werden wir die Signaturen der verschiedenen Zustände in Stickstoff-Fehlstellen (NV) basierten Quantensensoren bestimmen. Motiviert ist dies durch den beeindruckenden Fortschritt von NV-Sensoren, um lokale Feld-Fluktuationen zu detektieren. Um unsere Ziele zu erreichen, werden wir sowohl numerische als auch analytische Methoden verwenden, ein exakt-lösbares itinerantes Modell, das ich konstruiert habe, studieren, mit ab initio Experten kollaborieren, sowie in direktem Kontakt mit einer experimentellen NV-Sensorik-Gruppe bleiben. Auf lange Sicht gehe ich davon aus, dass die Forschung die Phänomenologie des AM signifikant erweitert, neue Verbindungen zu mehreren Konzepten aus dem Feld des stark-korrelierten Materie herstellt und NV-Sensoren also vielversprechende Methodik für AM und dessen Fluktuationsphysik etabliert.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen