TopMagIc: Topologische Magneto-Insulatronik

• Antragsteller: Dr. Alexander Mook
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 504261060

Innerhalb des TopMagIc-Projektes legen wir die theoretischen Grundlagen topologisch geschützter, magnetischer Anregungen in magnetischen Isolatoren. Unser Ziel ist es, energieeffiziente Technologien zu ermöglichen, die auf robusten magnetischen Signalen in Isolatoren basieren. TopMagIcs Herzstück ist der sogenannte topologische Magnon-Isolator, der chirale magnonische Randzustände aufzeigt, ganz ähnlich den elektronischen Randzuständen im Quanten-Hall-Effekt. Da chirale Magnon-Randzustände weder joulesche Wärme verursachen noch an Materialdefekten rückstreuen, stellen sie einen Weg dar, Technologien mit minimaler Umweltbelastung zu entwickeln. TopMagIc umfasst fünf Ziele mit der Strategie, topologische, magnetische Anregungen umfassend zu studieren, wobei das Hauptaugenmerk auf fundamentalen Fragestellungen liegt.(1) Um herauszufinden, wie die Stabilität chiraler Randmagnonen manipuliert und maximiert werden kann, werden wir ihre Lebensdauer unter Einfluss der kollektiven Umgebung des Festkörpers berechnen. Dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf Nichtlinearitäten der Magnetisierungsdynamik (Magnon-Magnon-Wechselwirkung) und der Wechselwirkung zwischen dem magnetischen und Gitteruntersystem (Magnon-Phonon-Wechselwirkung).(2) Da Magnonen nicht erhalten sind, weisen sie teilchenzahlnichterhaltende Vielteilchenwechselwirkungen auf. Deren Einfluss auf Quasiteilchentopologie ist ein fundamentales, offenes Problem in der Theorie der kondensierten Materie. Wir werden qualitative Vorhersagen treffen. So zum Beispiel, dass nichterhaltende Wechselwirkungen gewisse Symmetrien der freien Theorie brechen und deshalb zu besonderen Transportphänomenen führen können.(3) Wir werden Quanteneffekte in der Magnonentopologie jenseits der semiklassischen Magnetisierungsdynamik studieren. Dazu konzentrieren wir uns auf Vielmagnonenanregungen und spinquadrupolargeordnete Phasen in Quantenmagneten. Unser Ziel ist es, Letztere als mögliche Plattform für topologische Spinanregungen zu etablieren.(4) Um die experimentelle Bestätigung chiraler Randmagnonen voranzutreiben, werden wir deren einzigartige Signaturen vorhersagen. Dazu entwickeln wir nicht nur die Theorie magnonischer Quatengeometrie, sondern analysieren auch magnetoelektrische Signaturen, wie zum Beispiel eine topologische Randpolarization.(5) Schließlich werden wir erforschen, wie topologische Magnonen konstruiert werden können. Dazu beschreiten wir mehrere Wege, die uns von magnetischen Heterostrukturen, über Licht-Materie-Wechselwirkung und Magnon-Photon-Hybride, bis hin zu nichthermiteschen, topologischen Anwendungen in gepumpten magnetischen Systemen führen.

• DFG-Verfahren: Emmy Noether-Nachwuchsgruppen