Konstruktion von 2D van der Waals Magnetismus auf der Nanoskala

• Antragsteller: Professor Dr. Samir Lounis; Professor Dr. Markus Ternes
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Festkörpern und Oberflächen, Materialcharakterisierung ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 443405092

Van der Waals (vdW) Heterostrukturen sind künstlich aufgebaute Strukturen, die atomar dünne Schichten mit ausgeprägten intrinsischen Eigenschaften wie Spin-Orbit-gespaltene elektronische Bänder oder Supraleitung kombinieren. Diese Stapel bestehen aus atomar scharfen Grenzflächen und können physikalische Phänomene beherbergen, die aus der nicht-trivialen Kombination der einzelnen Schichten entstehen. Die Entdeckung intrinsisch ferromagnetischer 2D-Schichten im Jahr 2017 lieferte einen wichtigen Baustein, der eine ganz neue Klasse von vdW-Heterostrukturen mit Spin-Freiheitsgrad ermöglichte. In diesem Projekt schlagen wir vor, gemeinsam eine theoretische und experimentelle Charakterisierung von vdW-Doppelschichten durchzuführen, die aus einer Kombination von 2D-Magnetschicht und eine Schicht mit großer Spin-Orbit-Kopplung bestehen. In diesem Antrag wollen wir zunächst Näherungseffekte von vdW-Schicht mit großer Spin-Orbit-Wechselwirkung auf die magnetische Anisotropieenergie oder die magnetischen Austauschwechselwirkungen eines 2D-Magneten studieren, mit dem Ziel, die ferromagnetische Curie-Temperatur zu erhöhen oder nichtferromagnetische Zustände zu stabilisieren. Zweitens planen wir, die Wechselwirkung umzukehren und den proximal induzierten Magnetismus von einem 2D-Magneten auf die topologischen Eigenschaften einer zweiten Schicht zu untersuchen. Um unsere Ziele zu erreichen, planen wir, mit Hilfe von First-Principle-Methoden, die auf der zeitabhängigen Dichtefunktionaltheorie in Kombination mit der Vielkörperstörungstheorie basieren, die elektronischen, magnetischen und Transporteigenschaften von Doppelschichten zu berechnen und zu erforschen, wobei der Schwerpunkt auf die magnetischen Inter- und Intralayer-Interaktionen liegen wird. In diesen Berechnungen wollen wir über die Simulation des Grundzustandes hinausgehen und auch dynamische Eigenschaften wie lokale Spin-Flip-Prozesse oder kollektive Anregungen wie Magnonen und deren Wechselwirkungen mit Elektronen simulieren. Für die Zukunft planen wir auch komplexere Heterostrukturen, die aus mehr Schichten bestehen, zu simulieren.Komplementär dazu, wollen wir Doppelschichten mit einem 2D-Magneten und einer Schicht aus relativ schweren Elementen mit starker Spin-Orbit-Interaktion herstellen und anschließend die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften mittels kombinierter Rastertunnel- (STM) und Rasterkraftmikroskopie (AFM) charakterisieren. Entscheidend ist hier die einzigartige Möglichkeit, mit dem STM/AFM Informationen auf der Nanometerskala zu erhalten. Dies wird es uns ermöglichen, proximity-induzierte Effekte und Kanteneffekte sowie komplex geordnete magnetische Strukturen zu studieren.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 2244: 2D Materialien – die Physik von van der Waals [Hetero-]Strukturen (2DMP)
• Mitverantwortliche: Dr. Jose Martinez; Dr. Manuel dos Santos Dias