CHIME — CHiralitaetsInduzierte Dynamik der Magnetisierung und Elektronen

• Antragsteller: Professor Dr. Jairo Sinova, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2018 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 399448442

Das Ziel von CHIME ist es, die dynamischen Eigenschaften chiraler magnetischer Systeme zu untersuchen, welche wichtige Materialien für potentielle zukünftige Geräte darstellen. Der exponentielle Anstieg der Nachfrage an Datenspeichern hat den Bedarf neuer Paradigmen bei Datenspeicher-Geräten erhöht. Derzeitige Datenspeicher sind entweder flüchtig (z.B. Random-Access Memory) oder beschränkt in ihrer Leistung (z.B. Festplattenlaufwerke). Die elektrische Steuerung der Magnetisierung ist ein Schwerpunkt von potentiellen Anwendungen in Bauteilen der nächsten Generation, welche leistungsstark und nichtflüchtig sind. Ein kürzlich erzielter Durchbruch basierend auf dem Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplung und gebrochener Inversionssymmetrie, hat neue chirale elektronische Zustände und neue Phänomene aufgedeckt, die in inversionssymmetrischen Systemen verboten sind. Neben dem Interesse der Grundlagenforschung diese Phänomene zu verstehen, wurde bereits demonstriert, dass die Manipulation chiraler Texturen die Energieeffizient signifikant steigert. Bisher gibt es hier hauptsächlich zwei Herangehensweisen: Zum einen wird von der phänomenologischen Seite her gestartet und zum anderen von ab-initio-Rechnungen. Die phänomenologische Herangehensweise ermöglicht nur selten Erkenntnisse über die zugrundeliegende mikroskopische Physik während ab-initio Methoden stark von den Systemparametern abhängen, so dass es schwierig ist, allgemeine Erkenntnisse zu gewinnen. Das Ziel von CHIME ist es, durch eine prägnante, allgemeine und für Experimentatoren leicht zugängliche Theorie eine effiziente Brücke zwischen beiden Herangehensweisen zu bauen. Zielphänomene sind z.B. Spin-Bahn Drehmomente (spin-orbit torque), Bewegung von topologischen Texturen, der anisotrope magnetoresistive Effekt und Spin-Wellen. Wir werden ein Modell erstellen, welches zugleich einfach ist und alle wichtigen mikroskopischen Bestandteile beinhaltet. Dieses wird es ermöglichen die Modellparameter als Fit-Parameter im Experiment zu benutzen, sowie dieselben aus ab-initio-Rechnungen zu erhalten, um direkte Vorhersagen und Materialdesign effizient zu ermöglichen. Somit werden wir in der Lage sein, sowohl das mikroskopische als auch das phänomenologische Verständnis chiraler Magnete zu vertiefen und optimierte Strukturen für Anwendungen vorher zu sagen. Unsere analytischen Ergebnisse werden durch numerische Simulationen unterstützt welche durch andere Mitglieder meiner Gruppe durchgeführt werden. Experimente betreffend, planen wir unsere erfolgreiche Kollaboration vor Ort auszunutzen, sowie externe Kollaborationspartner in Prag, Cambridge und Kaiserslautern. Wir planen unseren Formalismus auch auf andere derzeitig moderne Systeme zu verallgemeinern, wie z.B. topologische Isolatoren, Antiferromagnete, Ferrimagnete und zwei-dimensionale supraleitende Zustände an Oberflächen, bei denen Spin-Bahn-Kopplung und gebrochene Symmetrien eine entscheidende Rollen spielen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen