allmän projektbild

Projekt: Experimentella och teoretiska studier av magnetiska topologiska material och heterostrukturer

Så kallade topologiska material har unika fysikaliska egenskaper. I projektet kommer såväl teoretiska som experimentella studier att genomföras för att utforska möjligheterna med dessa material.

Fakta om projektet

Projektledare
Janusz Sadowski
Övriga projektmedlemmar
Carlo Canali, Md Fhokrul Islam, Cecilia Holmqvist och Nezhat Pournaghavi, Linnéuniversitetet
Deltagande organisationer
Linnéuniversitetet, MAX IV-synkrotronlaboratoriet i Lund, Uppsala universitet, Chalmers Tekniska Högskola
Finansiär
Vetenskapsrådet
Tidsplan
1 jan 2018-31 dec 2021
Ämne
Fysik (Institutionen för fysik och elektroteknik, Fakulteten för teknik)

Mer om projektet

Projektet fokuserar på nya material: så kallade topologiska isolatorer (TI) och topologiska semimetaller (TSM). Topologiska material är ett relativt nytt ämne (TI upptäcktes för 9 år sedan, TSM för 2 år sedan), och de möjligheter som följer har ännu inte utforskats till fullo, framförallt vad gäller interaktionen med magnetiska material. Med sina unika egenskaper är materialen av intresse för forskning på både experimentell och teoretisk nivå.

I topologiska material beter sig elektronerna på särskilda sätt och nya fenomen uppkommer. Elektronernas spridning bakåt i materialet (eng. back-scattering) är omöjlig, något som hittills bara observerats då speciella strukturer av ytterst rena material utsätts för starka magnetfält vid extremt låga temperaturer. I topologiska material kan däremot detta ske även nära rumstemperatur och utan krav på hög materialrenhet eller externt magnetfält (ett magnetfält hade till och med stört denna effekt). Fenomenet uppkommer vid ytan (i 3D-kristaller) eller vid kanterna (i 2D-strukturer) vad gäller TI, och genom hela materialet vad gäller TSM. Denna unika materialegenskap, som innebär en ökad elektronrörlighet i materialet, har sitt ursprung bland annat i kristallernas speciella symmetri (tidsomvändningssymmetri eller specifik kristallsymmetri). Den ökade elektronrörligheten kan störas av ett yttre magnetfält (fältet påverkar tidsomvändningssymmetrin), till exempel det som uppkommer vid kombinationer av topologiska material med ferromagneter. Detta innebär att ferromagnetiska material kan användas för lokal styrning av de toplogiska egenskaperna i TI och TSM.

Den ovan nämnda magnetfältsinducerade störningseffekten kan uppnås antingen i heterostrukturer av topologiska och magnetiska material eller genom dopning av ett topologiskt material med magnetiska grundämnen som mangan, krom, etc. Då mjuka ferromagneter befinner sig nära topologiska material kan motsatt effekt uppnås, det vill säga att det topologiska materialet används för att styra ferromagnetens egenskaper. Detta har sitt ursprung i elektronernas specifika spin-struktur i topologiska material och deras verkan på ferromagneter. Med dessa två unika effekter öppnas nya möjligheter inom materialforskning som kan leda till utveckling av nya magnetelektroniska komponenter. Då elektronerna tillåts högre rörlighet minskar energiförlusterna vilket innebär att sådana komponenter skulle vara mycket mer effektiva än de vi använder idag. Kombinationen av ferromagnetiska och topologiska material möjliggör även ett helt nytt sätt att styra elektroniska komponenter på.

Detta projekt ämnar studera TI som Bi, Sb och deras binära kombination (BiSb), samt TSM som TaAs, TaSb och NbAs. Materialframställning kommer att förläggas i ett nytt laboratorium på Linnéuniversitetet och kommer att genomföras via molekylär strålepitaxi (eng. Molecular Beam Epitaxy, MBE), det vill säga att atomer läggs på ett substrat i tunna lager under mycket rena förhållanden (ultrahögt vakuum). Materialen kommer att framställas som 2D-ytor samt 1D-nanotrådar. MBE kommer även att användas för att tillverka heterostrukturer av topologiska material och ferromagneter (2D och 1D). Materialens topologiska egenskaper kommer att undersökas med hjälp av elektronspektroskopi kopplat till MBE samt, med högre noggrannhet, i det nybyggda MAX IV-synkrotronlaboratoriet i Lund. De magnetiska egenskaperna kommer att undersökas vid Uppsala universitet som är ett ledande centrum för denna typ av forskning i Sverige. I framtiden skulle materialen som framställs även kunna undersökas med hjälp av neutroner vid det nya europeiska forskningscentret ESS (European Spallation Source) i Lund. Projektet innefattar även en vidareutveckling av de teoretiska studier av topologiska och ferromagnetiska material som redan påbörjats vid Linnéuniversitetet.

Kombinationen av materialtillverkning, grundforskning och teoretisk analys som möjliggörs av samarbetet mellan universitet och världsledande forskningsanläggningar ämnar öka vår förståelse för topologiska material samt har möjligheten att stärka den svenska materialforskningsfronten. Projektet skulle kunna resultera i en utveckling av nya typer av energisnåla magnetelektroniska komponenter.

Projektet är en del av forskningen i forskargruppen Condensed Matter Physics.

Läs även pressmeddelandet om projektet.

Medarbetare