Topologische Synergie von Magnetismus und Supraleitung

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Garst; Professor Dr. Alexander Mirlin; Professor Dr. Alexander Shnirman
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 445312953

Der vorliegende Vorschlag eines Forschungsprojektes entstand im Rahmen der DFG-RSF Ausschreibung für eine deutsch-russische Zusammenarbeit in Physik und Mathematik. Die Forschung soll in einer Kooperation zwischen dem Karlsruher Institut für Technologie und dem Landau Institut für Theoretische Physik in Chernogolovka, Moskau, durchgeführt werden. Die involvierte Gruppe russischer Forscher mit weltweit führenden Experten im Bereich der Topologie, Spintronik, supraleitenden Nanostrukturen und Quantenkohärenz wird von Prof. Dr. Yakov Fominov geleitet. Deren Beteiligung ist entscheidend für die erfolgreiche Durchführung des Forschungsprojektes.Topologie spielt eine herausragende Rolle in der modernen Festkörperphysik sowohl im Bereich des Magnetismus als auch in der Supraleitung. Gewisse magnetische Systeme beherbergen emergente topologische Objekte wie Skyrmionen. Die physikalischen Eigenschaften und möglichen Manipulationen von magnetischen Skyrmionen werden aktuell intensiv erforscht auch im Hinblick auf potentielle Anwendungen im Bereich der Informationsspeicherung. Wirbel sind elementare topologische Objekte in supraleitenden Materialien, die entscheidend deren elektromagnetischen Eigenschaften beeinflussen. Eine weitere Manifestation von Topologie in Supraleitern wurde kürzlich entdeckt. Insbesondere wurden topologische Supraleiter mit topologisch geschützten Oberflächenzuständen theoretisch vorhergesagt und in Heterostrukturen künstlich hergestellt. Diese Oberflächenzustände werden durch sogenannte Majorana Fermionen beschrieben. Sie genügen einer nicht-abelschen Statistik und sie sind nützlich für die Konstruktion topologischer Quantencomputer.Dieses Forschungsprojekt beschäftigt sich mit den Synergien von magnetischen und supraleitenden Topologien in Supraleiter-Ferromagnet (SF) Hybridstrukturen. Das Leitprinzip der geplanten Forschung ist die Tatsache, dass eine nicht-triviale Topologie in einem Bestandteil der Hybridstruktur neuartige Eigenschaften oder gar eine neue Topologie in dem anderen Bestandteil induzieren kann.Die geplante Forschung ist in vier Arbeitspakete eingeteilt. Im ersten Paket werden topologische Texturen in Helimagneten erforscht, die es erlauben, gebundene Majorana Zustände im Supraleiter zu generieren und zu kontrollieren ohne nötiges Engineering auf der Nanoskala. Das zweite Paket beschäftigt sich mit der Wechselwirkung von magnetischen Skyrmionen und supraleitenden Wirbel in SF Heterostrukturen. Das dritte Arbeitspaket untersucht SF Strukturen auf Oberflächen von dreidimensionalen topologischen Isolatoren. In diesen Strukturen erwartet man emergente Majorana Zustände an den eindimensionalen Grenzen der SF Struktur, die die Magnetisierungsdynamik entscheidend beeinflussen sollten. Ein langreichweitiger Josephson Effekt wird im vierten Arbeitspaket untersucht, der durch die Wechselwirkung eines Suprastromes mit einer topologischen magnetischen Textur in einer SFS Struktur generiert wird.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Science Foundation, bis 3/2022
• Kooperationspartner: Professor Dr. Yakov Fominov, bis 3/2022