Magnetotransport in topologischen Nanostrukturen durch neuartige Spinzustände und Bahnkurven

• Antragsteller: Dr. Ching Hao Chang
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Herstellung und Eigenschaften von Funktionsmaterialien
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 398358911

Im Jahre 1980 wurde der Quanten-Hall-Effekt (QHE) in einem zweidimensionalen Elektrongas unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds beobachtet. Der QHE-Zustand war das erste Beispiel einer elektronischen Struktur, die eine topologische Invariante aufweist: Sein Verhalten hängt nur von der topologischen Struktur des Systems ab und ist daher gegen Streuprozesse aufgrund geometrischer Störungen und Störstellen geschützt. Ein Vierteljahrhundert später wurde der zweidimensionale topologische Isolator als eine Realisierung des Quanten-Spin-Hall- Effekts entdeckt. Dieser wird durch eine starke Spin-Bahn-Kopplung anstatt eines äußeren Magnetfelds verursacht und ist durch Zeitumkehrinvarianz topologisch geschützt. Daher sind topologische Isolatoren für zukünftige elektronik- und spintronikbasierte Technologien sehr wichtig. Die Entdeckung des zweidimensionalen topologischen Isolators förderte die Suche nach anderen topologischen Materialien wie z. B. dreidimensionale topologische Isolatoren sowie Weyl- und Dirac-Halbmetalle.Wenn solche topologische Materialien unter dem Einfluss eines äußeren Magnetfelds stehen, werden die topologischen und QHE-Zustände kombiniert und manchmal sogar hybridisiert, so dass neue magnetische Zustände, wie z. B. außergewöhnliche magnetische Bahnkurven mit Spin-Impuls-Kopplung im Phasenraum, entstehen können. Solche Zustände und Bahnkurven sind von großer Bedeutung, weil sie exotische magnetische und Spintransporteigenschaften aufweisen. Außerdem wird im Allgemeinen bei einer Messung des Magnetowiderstands (MW) in topologischen Nanostrukturen ein ungesättigtes Verhalten beobachtet. Der MW hat in Abhängigkeit der Geometrie und Klasse des topologischen Materials entweder ein lineares, quadratisches oder Wurzelfunktionsverhalten.In diesem Forschungsvorhaben werden wir neue magnetische Zustände und Bahnkurven unter Berücksichtigung der Effekte topologischer elektronischer Zustände und der Geometrie der Nanostrukturen studieren. Wir haben vor und suchen: (1) Reichhaltige Formen magnetischer Bahnkurven, die unterschiedliche Spin-Bahn-gekoppelte dynamische Verhaltensweisen in einer topologischen Nanostruktur aufweisen und (2) einen neuen magnetischen Zustand, wie z. B. den resonanten Weylorbit in einem topologischen Halbmetall. Unser Ziel besteht darin, den exotischen MW und Spintransport in topologischen Nanostrukturen im klassischen und Quantenregime zu untersuchen und zu verstehen, indem wir über die Beiträge der magnetischen Zustände und Bahnkurven integrieren. Dieses Forschungsvorhaben soll vielseitige Plattformen zur Entwicklung fortgeschrittener Spintronik- und Magnetoelektroniksysteme ermöglichen, die auf topologischen Materialien basieren.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen