Abteilung Spin und Topologie in Quantenmaterialien
Spin und Topologie in Quantenmaterialien
Wir erforschen die grundlegenden Prinzipien, Konzepte und Materialien für die Informationstechnologien der Zukunft. Anders als herkömmliche Materialien wie Silizium oder Permalloy weisen Quantenmaterialien eine intrinsische Verschränkung von Ladungs-, Spin-, Bahn- und Gitterfreiheitsgraden auf. Dieses Zusammenspiel führt zu neuartigen Phänomenen wie topologischem Schutz, starken Elektronenkorrelationen und Supraleitfähigkeit.
Topologischer Schutz ergibt sich aus einer nichttrivialen Topologie in der elektronischen Bandstruktur, die zu robusten Oberflächenzuständen führt, die weniger anfällig für Streuprozesse sind. Diese Oberflächenzustände weisen eine ausgeprägte Spintextur im Impulsraum auf, die durch Spin-Impuls-Verriegelung gekennzeichnet ist. Im Realraum können sich in bestimmten magnetischen Materialien topologisch nichttriviale magnetische Texturen - wie z. B. Skyrmionen - bilden, die neue funktionelle Transportphänomenen ermöglichen.
Diese Quantenphänomene sind wichtige Voraussetzungen für Informationstechnologien der nächsten Generation, von der Spintronik bis zum topologischen Quantencomputer. Wir untersuchen sie über viele Längen-, Zeit-, Energie- und Temperaturskalen hinweg und unter hohen Magnetfeldern. Unser experimenteller Ansatz konzentriert sich insbesondere auf Techniken, die empfindlich auf den Elektronenspin sind, einschließlich spin- und winkelaufgelöster Photoemissionsspektroskopie (ARPES), Photoemissionselektronenmikroskopie (PEEM) in Kombination mit magnetischem Röntgendichroismus sowie magnetischer Streuung und Absorption weicher Röntgenstrahlen in magnetischen Vektorfeldern.
Van-der-Waals-Heterostrukturen erlauben es, atomar dünne Schichten unter Vernachlässigung der Epitaxie zu stapeln, eine spannungsfreie Integration wird jedoch nicht immer erreicht. Zusammen mit der Universität Oxford wird exfoliertes piezoelektrisches α-In₂Se₃ verwendet, um den Van-der-Waals-Ferromagneten Fe₃GeTe₂ zu verzerren, was zu einer höheren Domänenwanddichte, verringerten Übergangstemperaturen (um 5-20 K) und erhöhter Koerzitivfeldstärke führt. Die strukturellen Veränderungen werden durch Raman-Analysen von α-In₂Se₃/Graphit-Heterostrukturen bestätigt. DFT- und Spindynamiksimulationen deuten auf eine 0,4 %ige Druckverformung in Fe₃GeTe₂ hin, die seine Austauschsteifigkeit und Anisotropie verringert. Das XPEEM-Bild rechts zeigt magnetische Domänen, wobei der Bereich der Heterostruktur blau hinterlegt ist. Der Ansatz ist vielversprechend, um 2D-Grenzflächen mit Hilfe piezoelektrischer Schichten zu verformen.
R. Fujita et al., Adv. Funct. Mater. 34, 2400552 (2024)