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Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts für Chemische Physik fester Stoffe haben einen Übersichtsartikel über magnetische topologische Materialien in der Familie der Heusler Verbindungen geschrieben. Der Übersichtsartikel erklärt in verständlicher Weise den Zusammenhang zwischen Topologie, Symmetrie und Magnetismus für Studenten der Physik, Materialwissenschaften und Chemie.
Der Titel ist drei weltbekannten Physikern Fritz Heusler (1866-1947), Hermann Weyl (1885-1955) und Michael Berry (*1941) gewidmet, die zu neuen und wichtigen Erkenntnissen in Materialwissenschaften, Festkörperphysik und Topologie beigetragen haben. Heusler Verbindungen, die relativistische Weyl Gleichung und die Berry Krümmung sind auf den ersten Blick separate Forschungsfelder, können aber zusammen zu neuer Grundlagenforschung und Anwendungen wie bei Quantencomputern, Energiekonversion und Katalyse führen.
Heusler ist der Name des Entdeckers der Heusler Verbindungen Anfang des letzten Jahrhunderts. Vor einigen Jahren wurde festgestellt, dass die elektronischen Eigenschaften in einigen der Verbindungen nicht triviale Topologien aufweisen, welches zu interessanten neuen physikalischen Eigenschaften führten. In der elektronischen Struktur einiger magnetischer Heusler Verbindungen wurden Singularitätspunkte identifiziert, die auf von Weyl entwickelten mathematischen Methoden der Quantenmechanik basieren und zur Entdeckung von neuen Quasiteilchen, den “Weyl Fermionen”, geführt haben. Gesucht hatte man diese Teilchen ursprünglich in der Hochenergiephysik, aber wir glauben, dass deren Existenz nun auch in magnetischen Materialien nachgewiesen wurde. Der Name Berry steht für messbare physikalische Effekte; unter wohl definierten Bedingungen existiert ein Vektorfeld, ähnlich zu einem Magnetfeld, die sogenannte Berry Krümmung. Die Berry-Krümmung definiert wichtige physikalische Effekte wie den anomalen Hall, den anomalen Nernst und den Spin Hall Effekt. Es ist die Kunst des Experimentalisten, die Materialien so zu verändern, z.B. Atome auszutauschen, so dass die Berry Krümmung optimiert wird und die topologischen Effekte sichtbar werden.
In der Abbildung ist der Zusammenhang zwischen Weyl-Fermionen, der Berry-Phase und der Familie der Heusler-Verbindungen dargestellt. Im oberen Teil ist die Kristallstruktur, d.h. der atomare Aufbau einer generischen Heusler-Verbindung schematisch wiedergegeben. Die roten und blauen Kugeln stellen Übergangsmetalle wie z.B. Kobalt oder Eisen dar, wobei die das elektropositivere Element den Platz der roten Kugeln einnimmt. Die grünen Kugeln stehen repräsentativ für Hauptgruppenelemente wie z.B. Silizium oder Gallium. Im unteren Teil der Abbildung sieht man die elektronische Struktur eines Weyl-Halbmetalls. Die magnetischen Monopole der Berry Krümmung in einem chiralen Weyl-Halbmetall sind als gelbe und grüne Kugeln gekennzeichnet, welche im Impulsraum Quelle und Senke der Berry-Krümmung (schwarz) darstellen.
Eine große Zahl von theoretisch vorhergesagten topologischen Eigenschaften können in Heusler Verbindungen durch die Variation der Zusammensetzung und der Symmetrie, wie man es von einem Lego-Baukasten kennt, realisiert werden. Beispiele sind ferromagnetische, antiferromagnetische, nicht-kollineare und kompensierte magnetische Ordnungen, die zu außergewöhnlichen großen thermoelektrischen Effekten, Spin-Arrangements wie Antiskyrmionen und neuen Quanteneffekten führen.
Betrachtet man die große Zahl von anorganischen Verbindungen und die Tatsache, dass kürzlich Methoden gefunden wurden, um die nichtmagnetischen topologischen Materialien mit einem Klick herauszufiltern, so sind die Heusler Verbindungen das ideale Studienobjekt, um systematisch das Zusammenspiel von Magnetismus und Topologie zu studieren. Durch intrinsische magnetische Ordnung oder einem extrinsischen magnetischen Feld können wegen der größeren Distanz von Weyl Punkten unterschiedlicher Chiralität noch größere physikalische Effekte in den magnetischen Materialien, verglichen mit nicht magnetischen Materialien, erreicht werden. Basierend auf den zusammengestellten Ergebnissen in unserem Übersichtsartikel über Heusler Verbindungen lässt sich jetzt schon voraussagen, dass viele magnetische topologische Materialien und Eigenschaften auf ihre Entdeckung warten.
Anwendungen sind denkbar im Zusammenhang mit den großen anomalen Nernst oder klassischen und Quanten Hall Effekten basierend auf den hohen magnetischen Übergangstemperaturen (Curie- Temperatur) von Heusler Verbindungen, die eine Rolle in Funktionseinheiten für Energiekonversion, Quantencomputer oder Spintronik spielen.
Das Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS) in Dresden forscht mit dem Ziel, neue Materialien mit ungewöhnlichen Eigenschaften zu entdecken und zu verstehen.
Chemiker und Physiker, Synthetiker, Experimentatoren und Theoretiker untersuchen gemeinsam, wie sich die chemische Zusammensetzung, die Anordnung der Atome sowie äußere Kräfte auf die magnetischen, elektronischen und chemischen Eigenschaften der Verbindungen auswirken. Dazu wenden sie die modernsten Instrumente und Methoden an.
Neue Quantenmaterialien, -effekte und Materialien für Energieumwandlung sind das Ergebnis dieser interdisziplinären Zusammenarbeit.
Das MPI CPfS (www.cpfs.mpg.de) ist Teil der Max-Planck-Gesellschaft und wurde 1995 in Dresden gegründet. Es beschäftigt rund 280 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter, davon etwa 180 Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler inklusive 70 Promovierende.
Prof. Dr. Claudia Felser, Dr. Kaustuv Manna
Heusler, Weyl und Berry, Nature Reviews Materials, https://dx.doi.org/10.1038/s41578-018-0036-5
kommt noch
Quelle: Heusler: Isabellenhütte GmbH & Co. KG; Weyl: ETH Zürich Bildarchiv; Berry: Michael Berry
Merkmale dieser Pressemitteilung:
Journalisten, Lehrer/Schüler, Studierende, Wissenschaftler
Chemie, Werkstoffwissenschaften
überregional
Wissenschaftliche Publikationen, wissenschaftliche Weiterbildung
Deutsch
kommt noch
Quelle: Heusler: Isabellenhütte GmbH & Co. KG; Weyl: ETH Zürich Bildarchiv; Berry: Michael Berry
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