Neue Ansätze zur Analyse von Magnetismus in niedrig-dimensionalen topologischen Quantenmaterialien auf der atomaren Skala

• Antragsteller: Professor Dr. Björn Trauzettel
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2024
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 546756512

Dieser Antrag zielt darauf ab, Magnetismus auf atomarer Ebene und niedrigdimensionale topologische Quantenmaterialien miteinander verbinden. Aufbauend auf ersten Ergebnissen planen wir zwei Forschungsprojekte in diesem Bereich, die hochmoderne Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie-Messungen (STM) in Taiwan mit hochentwickelter theoretischer Modellierung auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Deutschland verbinden. Das erste Projekt unseres Antrags ist die Schaffung von magnetischen Nanostrukturen auf einem selbstorganisierten Ni Kagome-Gitter auf Pb(111). Dies vereint Supraleitung, die nicht-triviale elektronische Struktur eines Kagome-Materials und Magnetismus auf atomarer Ebene. In unserer bisherigen Zusammenarbeit konnten wir zeigen, dass Ni Kagome/Pb(111) eine supraleitende Oberfläche darstellt, auf der Fe-Atome platziert werden konnten. Diese zeigen Yu-Shiba-Rusinov-Zustände, wenn Cooper-Paare des Supraleiters an den magnetischen Adatomen auseinanderbrechen. Hiermit demonstrieren wir die Kombination aus supraleitenden Dichtefunktionaltheorieberechnungen mit Tieftemperatur-STM-Experimenten, was die Grundlage für unsere geplanten Aktivitäten in diesem Bereich bildet. Insbesondere planen wir unsere bisherige Arbeit von einzelnen Fe-Adatomen auf Nanostrukturen magnetischer Atome aus Fe und anderen Übergangsmetallen sowie magnetischer seltenen Erden, die auf dem supraleitenden Ni Kagome-Substrat abgeschieden werden können, zu erweitern. Dies wird es uns ermöglichen ihr großes Potenzial auf dem Gebiet der topologischen Supraleitung und der Majorana-Nullmoden mithilfe von maßgeschneiderten magnetischen Nanostrukturen zu erforschen. Das zweite Projekt dieses Antrags zielt auf einlagige Materialien mit Honigwabenstruktur ab, z. B. Stanene oder Bismuthen, die mit niedrigdimensionalen magnetischen Nanostrukturen gekoppelt werden. Auf diese Weise lassen sich nicht-triviale topologische elektronische Strukturen im zweidimensionalen Grenzbereich mit magnetischer Ordnung kombinieren. Dies hat das Potenzial, magnetische topologische Isolatoren zu realisieren, die den anomalen Quanten Hall-Effekt zeigen könnten. Vor kurzem ist es uns gelungen, Stanen mit Co-Nanoinseln zu überziehen und ihre magnetischen Eigenschaften anhand von spinpolarisierten (SP) STM-Messungen und DFT-Berechnungen zu charakterisieren. Es ist uns ebenfalls gelungen, eine wabenförmige Schicht durch Abscheidung von Mn auf Bi/Ag(111) zu erzeugen, was diese Forschungsrichtung auf antiferromagnetische Materialien erweitert. Elektronisch erwarten wir interessante Effekte durch die Kombination der magnetischen Atome mit der wabenförmigen Anordnung, die wir in dieser Arbeit untersuchen wollen. Der Einsatz der SP-STM-Technik in Verbindung mit DFT-basierten Simulationen ermöglicht es, die atomaren Spinstrukturen des Wabengitters auf (p x Wurzel 3)-Bi/Ag(111) aufzulösen und Signaturen für ihre topologischen Eigenschaften zu finden.Dieser Antrag zielt darauf ab, Magnetismus auf atomarer Ebene und niedrigdimensionale topologische Quantenmaterialien miteinander verbinden. Aufbauend auf ersten Ergebnissen planen wir zwei Forschungsprojekte in diesem Bereich, die hochmoderne Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie-Messungen (STM) in Taiwan mit hochentwickelter theoretischer Modellierung auf Grundlage der Dichtefunktionaltheorie (DFT) in Deutschland verbinden. Das erste Projekt unseres Antrags ist die Schaffung von magnetischen Nanostrukturen auf einem selbstorganisierten Ni Kagome-Gitter auf Pb(111). Dies vereint Supraleitung, die nicht-triviale elektronische Struktur eines Kagome-Materials und Magnetismus auf atomarer Ebene. In unserer bisherigen Zusammenarbeit konnten wir zeigen, dass Ni Kagome/Pb(111) eine supraleitende Oberfläche darstellt, auf der Fe-Atome platziert werden konnten. Diese zeigen Yu-Shiba-Rusinov-Zustände, wenn Cooper-Paare des Supraleiters an den magnetischen Adatomen auseinanderbrechen. Hiermit demonstrieren wir die Kombination aus supraleitenden Dichtefunktionaltheorieberechnungen mit Tieftemperatur-STM-Experimenten, was die Grundlage für unsere geplanten Aktivitäten in diesem Bereich bildet. Insbesondere planen wir unsere bisherige Arbeit von einzelnen Fe-Adatomen auf Nanostrukturen magnetischer Atome aus Fe und anderen Übergangsmetallen sowie magnetischer seltenen Erden, die auf dem supraleitenden Ni Kagome-Substrat abgeschieden werden können, zu erweitern. Dies wird es uns ermöglichen ihr großes Potenzial auf dem Gebiet der topologischen Supraleitung und der Majorana-Nullmoden mithilfe von maßgeschneiderten magnetischen Nanostrukturen zu erforschen. Das zweite Projekt dieses Antrags zielt auf einlagige Materialien mit Honigwabenstruktur ab, z. B. Stanene oder Bismuthen, die mit niedrigdimensionalen magnetischen Nanostrukturen gekoppelt werden. Auf diese Weise lassen sich nicht-triviale topologische elektronische Strukturen im zweidimensionalen Grenzbereich mit magnetischer Ordnung kombinieren. Dies hat das Potenzial, magnetische topologische Isolatoren zu realisieren, die den anomalen Quanten Hall-Effekt zeigen könnten. Vor kurzem ist es uns gelungen, Stanen mit Co-Nanoinseln zu überziehen und ihre magnetischen Eigenschaften anhand von spinpolarisierten (SP) STM-Messungen und DFT-Berechnungen zu charakterisieren. Es ist uns ebenfalls gelungen, eine wabenförmige Schicht durch Abscheidung von Mn auf Bi/Ag(111) zu erzeugen, was diese Forschungsrichtung auf antiferromagnetische Materialien erweitert. Elektronisch erwarten wir interessante Effekte durch die Kombination der magnetischen Atome mit der wabenförmigen Anordnung, die wir in dieser Arbeit untersuchen wollen. Der Einsatz der SP-STM-Technik in Verbindung mit DFT-basierten Simulationen ermöglicht es, die atomaren Spinstrukturen des Wabengitters auf (p x Wurzel 3)-Bi/Ag(111) aufzulösen und Signaturen für ihre topologischen Eigenschaften zu finden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Taiwan
• Partnerorganisation: National Science and Technology Council (NSTC)
• Mitverantwortliche: Dr. Gustav Bihlmayer; Dr. Philipp Rüßmann
• Kooperationspartner: Professor Dr. Pin-Jui Hsu