NCN PRELUDIUM BIS 3: 2021/43/O/ST3/03000

Detekcja relatywistycznych fermionów w topologicznych semimetalach poprzez badania magnetostrykcji

kierownik: prof. dr hab. Tomasz Cichorek

Opis

Uwzględnienie topologicznych aspektów struktury pasmowej zasadniczo zmieniło sposób, w jaki klasyfikujemy różzne stany materii skondensowanej. Jest to szczególnie widoczne w przypadku pewnych semimetali o nietrywialnej topologii i silnym sprzężeniu spinowo-orbitalnym, które mogą zawierać kwazicząstki opisywane relatywistycznymi równaniami Diraca i Weyla. Z uwagi na nietrywialne własności topologiczne ośrodka, fermiony Diraca i Weyla są nie tylko bardzo stabilne, ale są również bardziej efektywnym nosnikiem ładunku elektrycznego niż swobodne elektrony,

gdyż poruszają się z prędkością porównywalną z prędkością światła i nie ulegają rozproszeniu wstecznemu. Topologiczne semimetale charakteryzują się tak olbrzymim potencjałem technologicznym, że przyszłą elektronikę wykorzystującą relatywistyczne fermiony Weyla już teraz zaczęto określać mianem weyltroniki.

Projekt badawczy Detekcja relatywistycznych fermionów w topologicznych semimetalach poprzez badania magnetostrykcji dotyczy fundamentalnego problemu naukowego związanego z eksperymentalnymi badaniami topologicznych semimetali. Obliczenia struktury pasmowej i spektroskopia fotoelektronowa to podstawowe narzędzia wskazujące na topologiczny charakter danego materiału. Jednak inne eksperymentalne przesłanki na obecność fermionów Weyla i Diraca są często subtelne i niejednoznaczne, ponieważ w rzeczywistych materiałach topologicznych istnieją również konwencjonalne kwazicząstki. Dobrą ilustracją problemu są pomiary podłużnego magnetooporu, który często wykazuje ujemne wartości. Jednakże nie można tych obserwacji jednoznacznie łączyć z fermionami Weyla, gdyż istnieje szereg „trywialnych” efektów, które również mogą skutkować obniżeniem oporu elektrycznego w podłużnym polu magnetycznym. Ponadto, obecność relatywistycznych fermionów jest wrażliwa na subtelne przesunięcia poziomu Fermiego. Dlatego ważnym jest, aby znaleźć jasne i proste narzędzia eksperymentalne, które pomogą w identyfikacji relatywistycznych fermionów w semimetalach topologicznych, a tym samym aby przygotować grunt pod badania ich przydatności w elektronice nowej generacji.

Nasz projekt zwraca uwagę na magnetostrykcję, która w niemagnetycznym semimetalu wynika z wpływu elektronowych stopni swobody na drgania sprężyste sieci krystalicznej, a tym samym odzwierciedla zmianę gęstości nośników ładunku elektrycznego w intensywnym polu magnetycznym. Co więcej, w przypadku układów wielopasmowych o małej gęstości nośników, takich jak semimetale lub zdegenerowane półprzewodniki, ta zależna od kierunku wielkość termodynamiczna przyjmuje stosunkowo duże wartości z powodu redystrybucji elektronów między pasmami pod wpływem pola magnetycznego. Opierając się na opracowanej przez naszych współpracowników z Ukrainskiej Akademii Nauk w Charkowie teorii magnetostrykcji dla topologicznych semimetali, ostatnio wykazalismy, że mierząc zmianę długości indukowaną polem magnetycznym, można wyraźnie odróżnić udziały pochodzące od fermionów relatywistycznych i konwencjonalnych gdy fermiony Weyla (Diraca) zajmują zerowy poziom Landaua [T. Cichorek et al., Nature Communications 13, 3868 (2022)].

Głównym zadaniem badawczym jest wykrycie relatywistycznych fermionów w topologicznych semimetalach z wykorzystaniem magnetostrykcji jako sondy eksperymentalnej. Proponujemy kompleksowe, zależne od kąta badania zmiany długości indukowanej polem magnetycznym. Szczególna uwaga zostanie zwrócona na materiały charakteryzujące się położeniem węzłów Weyla (Diraca) w bezpośrednim pobliżu energii Fermiego, a tym samym na materiały o stosunkowo łatwo osiągalnym limicie kwantowym. Naszą drugą intencją, jest zbadanie wpływu napężenia jednoosiowego na magnetostrykcję, ponieważ jest ona wrażliwa na położenie poziomu Fermiego. Planujemy zbadać efekty magnetostrykcyjne, gdy węzły Weyla (Diraca) zostaną dostrojone do poziomu Fermiego, a tym samym poszukaą nowej fizyki. W szerszym kontekście, spodziewamy się obserwacji szeregu ważkich efektów dylatometrycznych, których znajomość będzie miała duże znaczenie dla pracy czujników cienkowarstwowych wykorzystujących topologiczne fermiony Diraca i Weyla w silnych polach magnetycznych.

Główne cele

• wykrycie relatywistycznych fermionów w topologicznych semimetalach

  z wykorzystaniem magnetostrykcji jako sondy eksperymentalnej

• badania zmiany długości indukowanej polem magnetycznym w zależności od kierunku przyłożonego pola

• wpływ naprężenia jednoosiowego na magnetostrykcję

  efekty magnetostrykcyjne, gdy węzły Weyla (Diraca) zostaną dostrojone do poziomu Fermiego

Finansowanie

• Stypendium doktoranckie (2022-2026)

  • 5000 zł/m-c - pierwsze dwa lata
  • 6000 zł/m-c - kolejne dwa lata

• Staż zagraniczny (Max Planck Institute for Chemical Physics of Solids in Dresden)

  • 9000 zł/m-c - 6 miesięcy (finansowany przez NAWA)

Linki

BIP - ogłoszenie o rekrutacji specjalnej
PRELUDIUM BIS 3 NCN-2021/43/O/ST3/03000(2022)