Dokument: Magnetic field effects in topologically nontrivial systems

Titel:	Magnetic field effects in topologically nontrivial systems
Weiterer Titel:	Magnetfeldeffekte in topologisch nichttrivialen Systemen
URL für Lesezeichen:	https://docserv.uni-duesseldorf.de/servlets/DocumentServlet?id=69629
URN (NBN):	urn:nbn:de:hbz:061-20250521-150057-0
Kollektion:	Dissertationen
Sprache:	Englisch
Dokumententyp:	Wissenschaftliche Abschlussarbeiten » Dissertation
Medientyp:	Text
Autor:	M. Sc. Bauer, Tim [Autor]
Dateien:	[Dateien anzeigen] Adobe PDF [Details] 9,34 MB in einer Datei [ZIP-Datei erzeugen] Dateien vom 13.05.2025 / geändert 13.05.2025
Beitragende:	Prof. Dr. Egger, Reinhold [Gutachter] PD Dr. Kampermann, Hermann [Gutachter] Prof. Dr. Meden, Volker [Gutachter]
Stichwörter:	condensed matter, quantum spin liquid, frustrated magnetism, Weyl semimetal
Dewey Dezimal-Klassifikation:	500 Naturwissenschaften und Mathematik » 530 Physik
Beschreibungen:	The influence of a magnetic field on quantum states of matter gives rise to a wealth of phenomena that are at the heart of modern condensed matter research. The theoretical description of these fascinating effects typically involves the notion of topology, which has captivated researchers of solid-state physics for over five decades. A defining property of topologically nontrivial states of matter is the existence of characteristic energy excitations, which either are localized near the boundary of the system or constitute exotic quasiparticles in the bulk. This thesis investigates three phenomena induced by magnetic fields in solid-state systems, which are either intrinsically topological or acquire topological properties in the presence of magnetic fields. The majority of this work is devoted to unconventional phases of two-dimensional magnets, called quantum spin liquids (QSLs), which defy description within the paradigmatic Ginzburg-Landau theory of phase transitions and exhibit striking quantum effects. In the specific QSL studied in this thesis, an external magnetic field induces the formation of energy excitations termed Ising anyons. These exotic quasiparticles exhibit fractional exchange statistics and are intriguing beyond the viewpoint of fundamental physics due to potential applications in quantum information processing. The objective of my second and third publication is to design novel experiments that detect and manipulate Ising anyons in the QSL using local electric probes, such as scanning tunneling microscopy. These studies are based on a microscopic description of specific transition metal compounds which, according to theoretical predictions, might stabilize the QSL phase. A major difficulty faced by previous experiments on these candidate materials is given by trivial effects that obscure the unambiguous interpretation of results. To validate our predictions in my second and third publication, we therefore studied a more conventional field-induced state of matter, namely, the (partially) polarized phase of two-dimensional magnets. The elemental excitations of this phase are magnons and, in the case of the aforementioned transition metal compounds, acquire topological properties. We find that magnetic impurities in the sample can trap magnon bound states and thereby generate low-energy signatures reminiscent of the predictions for Ising anyons. However, in my fourth publication, we detail how these magnon bound states are associated with a local spin flip transition and can, therefore, be fully characterized using the proposed experimental set-up. This result strongly suggests that local electric probes can distinguish Ising anyons in the putative QSL phase from trivial excitations in the polarized state. Moreover, the discovered mechanism is generic in polarized magnets and holds promise for applications in spintronic or magnonic devices involving van der Waals materials. During my doctoral research, I did not only study low-dimensional magnets. In my first publication, my collaborators and I investigated a class of topological semimetals called Weyl semimetals. These three-dimensional conductors are characterized by low-energy excitations which formally behave as ultrarelativistic chiral fermions. This fact entails the solid-state realization of various phenomena studied in theoretical high-energy particle physics, such as the anomalous response of massless fermions to external electromagnetic fields. On the other hand, Weyl semimetals host localized surface states which reflect the nontrivial topology of these compounds and form a remarkable open energy contour termed Fermi arc. The interplay of Fermi arcs and the anomalous response of bulk excitations in a magnetic field gives rise to an exotic cyclotron motion which manifests intriguing non-local effects. In my first publication, we provide the full quantum mechanical description of this phenomenon and thereby go beyond previous theoretical works which relied on a semiclassical approximation. Der Einfluss eines Magnetfelds auf Quantenzustände der Materie erzeugt eine Vielzahl von Phänomenen, die von zentraler Bedeutung für die moderne Forschung der kondensierten Materie sind. Die Beschreibung dieser faszinierenden Effekte basiert in der Regel auf Konzepten der Topologie, die im Rahmen der Festkörperphysik die Wissenschaft seit über fünfzig Jahren begeistern. Eine definierende Eigenschaft von topologisch nichttrivialen Materiezuständen ist die Existenz charakteristischer Anregungen, die entweder nahe dem Rand einer Probe lokalisiert sind oder exotischen Quasiteilchen im Inneren des Systems entsprechen. Diese Thesis erforscht drei durch Magnetfelder induzierte Phänome in Festkörpern, die entweder von topologischer Natur sind oder in einem Magnetfeld topologische Eigenschaften erhalten. Die Mehrheit dieser Arbeit widmet sich unkonventionellen Phasen von zweidimensionalen Magneten namens Quanten-Spin-Flüssigkeiten (QSF), die nicht im Rahmen der Ginzburg-Landau-Theorie der Phasenübergänge beschrieben werden können und bemerkenswerte Quanteneffekte aufweisen. in der spezifischen QSF, die hier betrachtet wird, generiert ein externes Magnetfeld Anregungen namens Ising-Anyonen. Diese exotischen Quasiteilchen besitzen fraktionierte Austauschstatistiken und sind nicht nur für die Grundlagenforschung interessant, sondern möglicherweise für Anwendungen in der Quanteninformationsverarbeitung geeignet. Das Ziel meiner zweiten und dritten Publikation ist die Konzipierung neuartiger Experimente, die Ising-Anyonen in der QSF mithilfe lokaler elektrischer Proben, wie z.B. mit einem Rastertunnelmikroskop, detektieren und manipulieren können. Diese Arbeiten basieren auf einer mikroskopischen Beschreibung bestimmter Übergangsmetallverbindungen, die der Theorie zufolge eine QSF stabilieren können. Eine wesentliche Schwierigkeit, die in bisherigen Experimenten zu diesen Materialien aufgetreten ist, besteht in trivalen Effekten, die eine eindeutige Interpretation der Messergebnisse verhindern können. Um unsere Vorhersagen in meiner zweiten und dritten Publikation zu validieren, haben wir daher auch einen gewöhnlicheren, durch ein Magnetfeld induzierten Zustand erforscht, nämlich die polarisierte Phase von zweidimensionalen Magneten. Die elementaren Anregungen in dieser Phase sind Magnonen, die im Falle der genannten Übergangsmetallverbindungen topologische Eigenschaften besitzen. Es stellt sich heraus, dass magnetische Verunreinigungen Magnonen binden und dadurch experimentelle Signale erzeugen können, die den Vorhersagen für Ising-Anyonen ähneln. Allerdings zeigen wir in meiner vierten Publikation, wie gebundene Magnonzustände mit einem lokalen Spin-Flip zusammenhängen und daher in unserem vorgeschlagenen Aufbau charakterisiert werden können. Dieses Ergebnis legt nahe, dass lokale elektrische Proben zwischen Ising-Anyonen in der QSF und gewöhnlicheren Anregungen in der polarisierten Phase unterscheiden können. Außerdem sollte der erwähnte Effekt in einer Vielzahl von polarisierten Magneten auftreten und könnte sich daher als nützlich für Anwendungen in der auf van-der-Waals-Materialien basierenden Spintronik erweisen. Ich habe mich in meiner Promotion nicht nur mit niedrigdimensionalen Magneten beschäftigt, sondern in meiner ersten Publikation auch sogenannte Weyl-Semimetalle erforscht. Die charakteristischen Anregungen dieser dreidimensionale Leiter verhalten sich formal wie ultrarelativistische, chirale Fermionen. Es ist daher möglich, eine Reihe von Phänomenen der theoretischen Teilchenphysik in diesen Festkörpern zu untersuchen, wie zum Beispiel der Einfluss durch externe elektromagnetische Felder. Andererseits besitzen Weyl-Semimetalle nahe der Ränder gebundene Zustände, die die nichttrivale Topologie dieser Materialien demonstieren und eine besondere Dispersionsrelation namens Fermi-Arc aufweisen. Das Zusammenspiel von elektromagnetischen Feldern und der Fermi-Arc erzeugt eine exotische Zyklotronbewegung, die nichtlokale Effekte verursacht. In der meiner ersten Publikation beschreiben wir dieses Phänomen im Rahmen der Quantenmechanik und ohne semiklassische Näherungen.
Lizenz:	Dieses Werk ist lizenziert unter einer Creative Commons Namensnennung 4.0 International Lizenz
Fachbereich / Einrichtung:	Mathematisch- Naturwissenschaftliche Fakultät » WE Physik » Theoretische Physik
Dokument erstellt am:	21.05.2025
Dateien geändert am:	21.05.2025
Promotionsantrag am:	11.12.2024
Datum der Promotion:	13.02.2025