Korrelationseffekte in adiabatischer Spindynamik

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Potthoff, seit 4/2024
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 449872909

Dieses Projekt erforscht neuartige Physik an der Schnittstelle zwischen topologisch nicht-trivialer elektronischer Struktur, Elektronenkorrelationen und langsamer Echtzeitdynamik in Systemen kondensierter Materie. Starke Coulomb-Wechselwirkung bewirkt das Ausbilden lokaler magnetischer Momente mit einer Dynamik auf einer viel längeren Zeitskala im Vergleich zur schnellen Femtosekunden-Skala der Leitungselektronen. Diese Zeitskalentrennung im extremen adiabatischen Limis wird ausgenutzt, um die Formulierung und die Anwendung einer effektiven Niederenergie-Theorie voranzutreiben, die als adiabatische Spin-Dynamik (ASD) bezeichnet wird. Die ASD beinhaltet einen wichtigen topologischen Twist: Während die langsamen Spin-Freiheitsgrade die bekannte Berry-Phase im elektronischen Quantensystem erzeugen, gibt es eine zusätzliche Rückkopplung der Berry-Physik auf die langsame Spindynamik, die sich über geometrische Spin-Drehmomente ausdrückt. Geometrische Drehmomente resultieren aus einer nichtverschwindenden Spin-Berry-Krümmung, die wiederum eng mit der nichtlokalen magnetischen Antwort des Quantensystems zusammenhängt. Wir analysieren den weitgehend universellen Krümmungstensor und untersuchen seine Abhängigkeiten von der Dimensionalität, den Symmetrien und den topologischen Eigenschaften des zugrunde liegenden Systems. Unter Berücksichtigung prototypischer Modelle mit topologisch nichttrivialer elektronischer Struktur, die für experimentelle Studien in P1, P3, P6 relevant sind, untersuchen wir den Einfluss geometrischer Drehmomente auf die Echtzeitdynamik magnetischer Verunreinigungen, auf Magnonenspektren und auf thermodynamische Eigenschaften. Wir haben einen klaren Fokus auf Elektronenkorrelationen und ihre zweifache Rolle, nämlich als Ursache für die Bildung lokaler magnetischer Momente und für starke qualitative Renormierungen nichtlokaler Antwortfunktionen, einschließlich der Spin-Berry-Krümmung. Entsprechende numerische Studien erfordern fortgeschrittene diagrammatische Techniken jenseits der dynamischen Molekularfeldtheorie und profitieren vom Know-how-Austausch mit allen Projekten der Forschungsgruppe.In einer engen Kooperation mit P1 treiben wir den ASD-Ansatz in der parametrischen Umgebung eines quantenkritischen Punktes im zweidimensionalen Hubbard-Modell voran. Effekte der Elektron-Phonon-Wechselwirkung in korrelierten Chern-Isolatoren werden gemeinsam mit P5 untersucht, indem ein Konzept der korrelierten adiabatischen Molekulardynamik erarbeitet wird, das weitgehend analog zur ASD ist, aber Effekte geometrischer Kräfte berücksichtigt. Zusammen mit P4 erforschen wir das Potential verallgemeinerter Chern-Zahlen, die sich aus der Spin-, Ladungs- oder Paarungs-Berry-Krümmung ableiten, um neue topologische Phasen und Klassifikationsschemata zu finden.

• DFG-Verfahren: Forschungsgruppen
• Teilprojekt zu: FOR 5249: Quantitative räumlich-zeitliche Modellierung von Materie mit elektronischen Korrelationen
• Mitverantwortlich: Professor Dr. Alexander Lichtenstein
• Ehemaliger Antragsteller: Dr. Georg Rohringer, bis 3/2024