Synteza i charakterystyka wielofunkcyjnych faz Heuslera o przestrajalnych topologicznych efektach kwantowych
Grant NCN SHENG Nr rejestracyjny: 2021/40/Q/ST5/00066
Kierownik projektu prof. dr hab. inż. Dariusz Kaczorowski
Odkrycie trójwymiarowych układów topologicznych zapoczątkowało w pierwszej dekadzie obecnego stulecia niezwykle dynamiczny rozwój nowej gałęzi fizyki zajmującej się materiałami topologicznymi. Obecnie liczne izolatory i półmetale o nietrywialnych stanach metalicznych, chronionych przed chaotycznymi zaburzeniami przez więzy wynikające z topologii ich stanów elektronowych, są intensywnie badane za pomocą zawansowanych metod eksperymentalnych i teoretycznych fizyki, chemii i badań materiałowych.
Intensywne badania prowadzone przez nas i inne grupy w ciągu ostatnich dziesięciu lat wykazały, że wiele związków należących do podklasy faz Heuslera o strukturze typu MgAgAs, zawierających pierwiastki ziem rzadkich, jest izolatorami lub półmetalami topologicznymi, a jednocześnie posiada wiele z wyżej wymienionych właściwości multifunkcjonalnych. Takie połączenie topologicznej nietrywialności z wielofunkcyjnymi właściwościami może zaowocować multifunkcjonalnym materiałem topologicznym, takim jak topologiczny nadprzewodnik, układ z anomalnym zjawiskiem Halla, układ dynamicznych aksjonów czy topologiczny układ ciężkofermionowy. Zamierzamy modyfikować takie fazy Heuslera poprzez domieszkowanie (przygotowanie roztworów stałych, także takich gdzie atomy niemagnetyczne zastępowane są magnetycznymi, i na odwrót), albo otrzymanie ich w postaci cienkich warstw. Takie modyfikacje pozwolą nam regulować, ulepszać, a nawet generować nowe multifunkcjonalne właściwości topologiczne.
Aby przewidzieć wpływ zmian strukturalnych na stan elektronowy posłużymy się wynikami obliczeń struktury elektronowej z zasad pierwszych, zarówno wykonanych samodzielnie, jak też już opublikowanych. Połączenie naszych uzupełniających się szerokich doświadczeń w obszarze wzrostu monokryształów (z topników) i przygotowania cienkich warstw (metodami co-sputteringu, naparowania lub osadzania za pomocą lasera impulsowego) takich faz Heuslera, pomiarów własności elektronowych (magnetooporu, zjawiska Halla, oscylacji kwantowych) i własności magnetycznych, dogłębnej charakterystyki stanu nadprzewodzącego w bardzo niskich temperaturach (opór elektryczny, podatność magnetyczna, ciepło właściwe), umożliwi nam
pogłębione zrozumienie i skuteczne regulowanie multifunkcjonalnych właściwości topologicznych wynikających z korelacji struktury, składu chemicznego i objętościowego magnetyzmu ze strukturą elektronową i sprzężeniem spinowo-orbitalnym. Zamierzamy zbudować i scharakteryzować urządzenia oparte na zoptymalizowanych, multifunkcjonalnych topologicznych cienkich warstwach.
Szczególny wysiłek zostanie poświęcony charakterystyce topologicznego nadprzewodnictwa obserwowanego w takich związkach Heuslera w bardzo niskich temperaturach, a nawet współistniejącego ze stanem uporządkowania magnetycznego. W niemagnetycznym YPtBi odkryto nowy, mieszany typ stanu parowania nadprzewodzącego: mieszaninę singletu spinowego typu s i kwintetu spinowego typu d, indukowanych przez sprzężenie spinowo-orbitalne, nawet przy braku symetrii inwersji, gdzie elektrony posiadają efektywny "spin-
3/2". Topologiczne nadprzewodnictwo jest niezwykle interesującym stanem materii kwantowej, ze względu na możliwość pojawienia się z fascynujących wzbudzeń kwazicząstkowych: fermionów Majorany.
Spróbujemy zaobserwować i potwierdzić wpływ siły siły sprzężenia spinowo-orbitalnego na objętościową strukturę pasmową takich faz Heuslera. Zamiast metod czułych powierzchniowo, takich jak kątowo-rozdzielcza spektroskopia fotoemisyjna i skaningowa spektroskopia tunelowa, użyjemy spektroskopii magnetycznego rezonansu jądrowego czułego na objętość próbki, aby śledzić izotropowe przesunięcia widm 209Bi i ich zachowanie względem siły sprzężenia spinowo-orbitalnego i średnich liczb atomowych.
Nasze uzupełniające się doświadczenia umożliwią powstanie silnego i wszechstronnego zespołu,
posiadającego wszystkie umiejętności i urządzenia wymagane, by sprostać wyzwaniom proponowanego planu badań. Projekt ten będzie miał szerokie konsekwencje zarówno dla badań podstawowych, jak i potencjalnych zastosowań i będzie stymulować przyszłe wspólne przedsięwzięcia. Rezultatem projektu będzie zainicjowanie nowych oryginalnych ścieżek badawczych w fizyce materiałów topologicznych. Badanie i dogłębne zrozumienie roli, jaką magnetyzm odgrywa w magnetycznych izolatorach topologicznych i półmetalach, w szczególności jego oddziaływanie z nadprzewodnictwem, nie tylko znacznie poszerzy naszą wiedzę, ale potencjalnie przyniesie nowe zastosowania takich materiałów w projektowaniu i wytwarzaniu jednostek pamięci, czujników i innych urządzeń spintronicznych, a być może także innowacyjne urządzenia do obliczeń kwantowych.