SPP 1538: Spin Caloric Transport (SpinCaT)
Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Das Gebiet des Spin-Kalorischen-Transports befasst sich mit der Wechselwirkung zwischen Spin-Transport-Phänomenen und thermischen Eigenschaften. Die Trennung von Ladungsträgern mit unterschiedlichen Spinausrichtungen (Aufwärts- und Abwärtsspins) über Temperaturgradienten erzeugt ein reinen Spinstrom. Umgekehrt können Temperatur und Entropie durch Spins (d. h. Spinspannungen) manipuliert werden. Ein zentrales Thema des Schwerpunktprogramms war die Wechselwirkung zwischen spin-kalorischen und spin-dynamischen Effekten, die insbesondere für Anwendungen in der Informations- und Kommunikationstechnologie wichtig sind. Ein Überblickartikel, der thermoelektrischen Phänomenen im Allgemeinen und spin-kalorischen Themen im Speziellen gewidmet ist, wurde von Antragstellern des SPP verfasst und erschien im Dezember 2014 in Spektrum der Wissenschaft. Das Schwerpunktprogramm hat dazu beigetragen, dass Thema im deutschen Wissenschaftssystem zu verankern und trug dazu bei, dass einige der teilnehmenden Arbeitsgruppen zu den weltweit führenden Gruppen gehören. In Zusammenarbeit von theoretischen mit experimentellen Arbeitsgruppen des Schwerpunktprogramms wurde einer neuer Magneto-Widerstandseffekt entdeckt - der sogenannte Spin-Hall-Magnetowiderstand - der mittlerweile in der Erforschung von Spin Phänomenen in magnetischen Isolatoren eine breite Anwendung gefunden hat. Es wurden widersprüchliche Hinweise aus verschiedenen Experimenten in der Literatur geklärt, indem gezeigt werden konnte, dass der so genannte transversale Spin-Seebeck-Effekt in Metallen im Vergleich zu den konkurrierenden (etablierten) magneto-thermoelektrischen Effekten vernachlässigbar klein ist. Es wurden erfolgreich zentrale spintronische Effekte auf höchste (d.h. Terahertz-) Frequenzen übertragen, darunter der spinabhängigen/Spin-Seebeck-Effekt zur Erzeugung von Spinströmen und der inversen Spin-Hall-Effekt zur Umwandlung dieser Spinströme in Ladungsströme. Diese Effekte wurden verwendet, um einen spintronischen Sender für elektromagnetische Terahertz-Pulse zu bauen, der den gesamten Bereich von 1 bis 30 THz mit einer Effizienz abdeckt, die mit der von Standard-Terahertz-Quellen vergleichbar oder sogar besser ist. In einer gemeinsamen experimentellen und theoretischen Anstrengung wurde gezeigt, dass der Spin-Seebeck-Effekt Spinströme im Volumen eines isolierenden Ferrimagneten erzeugen kann. Durch Variation von Materialien und Grenzflächen konnte experimentell verschiedene Magnon-Moden identifiziert werden, die zum Spintransport durch einen Wärmestrom beitragen. Die Topologie hat mit der Entdeckung des Quanten-Hall-Effekts das Gebiet der Physik der kondensierten Materie erobert. Seitdem nimmt der Zoo der topologischen Materialien stetig zu. In diesem Projekt haben wir herausgefunden, wie man verschiedene topologische Phasen mit Magnonen realisieren kann: die Magnon-Pendants zu topologischen Isolatoren sowie Weyl- und Nodal-Linien-Semimetalle werden vorgestellt. Ähnlich wie im elektronischen Fall verursacht eine Berry-Krümmung ungleich Null einen transversalen Transport, d.h. Magnon-Hall-Effekte. Wir haben eine Methode entwickelt, die zeigt, wie diese Effekte durch klassische Spindynamiksimulationen quantifiziert werden können. (Halle)
