Statischer und dynamischer Magnetismus von topologisch nicht trivialen magnetischen Materialien

• Antragsteller: Dr. Alexey Alfonsov, Ph.D.
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 499461434

Die Topologie der elektronischen Bänder hat ihre Bedeutung auf dem Gebiet der Physik der kondensierten Materie gezeigt, indem sie den Weg zur Entdeckung neuer Materiezustände wie topologischer Isolatoren (TI) ebnete. Eine starke Spin-Bahn-Kopplung in dieser Materialklasse führt zu einer Nicht-Trivialität der Band-Topologie im Inneren des Materials, was wiederum zu einer masselosen Dirac- Dispersion mit spin-momentum locking an der Oberfläche führt. Die jüngste Entdeckung magnetischer topologischer Isolatoren (MTI) hat neue Wege eröffnet, um exotische Phänomene wie den anomalen Quanten-Hall-Effekt, den topologischen magnetoelektrischen Effekt und chirale Majorana-Fermionen zu untersuchen, die aus dem Zusammenspiel von topologischen elektronischen Zuständen und magnetischen Freiheitsgraden entstehen können, sei es geordnet oder stark fluktuierend. Eine informationsreiche Methode zur Untersuchung solcher magnetischer Freiheitsgrade ist die Hochfeld- Hochfrequenz-Elektronenspinresonanzspektroskopie (ESR), ergänzt durch die statische Magnetometriemethode. In unserem Projekt schlagen wir vor, mithilfe der ESR-Spektroskopie neue umfassende Einblicke in den fundamentalen Ursprung und die Details des Magnetismus in MTIs zu erhalten und eine Beziehung der magnetischen Eigenschaften wie magnetische Anisotropie, Wechselwirkungen und Ordnung mit beobachteten Charakteristiska der nichttrivialen Band-Topologie festzustellen. Wir werden die Vorteile der Hochfeld-Hochfrequenz-ESR-Instrumentierung am IFW Dresden nutzen, die eine hochempfindliche Detektion von ESR-Signalen in einem sehr breiten Frequenzbereich von 0,01 bis 1 THz, in Feldern bis 16 T und in einem Temperaturbereich 0.3 – 300 K ermöglicht. Systematische Untersuchungen der Frequenz-, Magnetfeld- und Winkelabhängigkeiten der ESR-Moden in einkristallinen Proben ermöglichen eine genaue Bestimmung der magnetischen Anisotropien, der Spinstrukturen im Grundzustand und der Parameter der Spin-Dynamik. Die genaue Auswertung der Temperaturabhängigkeiten der ESR-Signale gewährt den Zugang zur Dynamik der magnetischen Momente und ermöglicht so die Untersuchung des Zusammenspiels zwischen elektronischer Struktur und fluktuierenden magnetischen Momenten im paramagnetischen Zustand. Wir werden alle diese Parameter mit der chemischen Zusammensetzung, der kristallographischen Struktur und den beobachteten Merkmalen der nicht trivialen Bandentopologie in den untersuchten MTIs in Beziehung setzen. Ein wichtiger Aspekt des Projekts werden Untersuchungen von exfolierten Proben sein, die die Untersuchung der dickenabhängigen Entwicklung des oberflächendominierten Magnetismus ermöglichen. Die erhaltenen Informationen sollten für ein umfassendes Verständnis der Natur des statischen und dynamischen Magnetismus sowohl in geordneten als auch in nicht geordneten Zuständen MTI von größter Bedeutung sein, was für eine weitere Bewertung des Zusammenspiels zwischen Magnetismus und nicht trivialer Band-Topologie erforderlich ist.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen