Topologie und Quantenkritikalität in Kondoisolatoren

Quantenkritikalität wurde in den letzten Jahren in verschiedensten Materialklassen wie beispielsweise den organischen Leitern, Oxiden, Pniktid- und Kupratsupraleitern, itineranten Magnetenund Schwere-Fermionen-Metallen beobachtet und stellte sich somit als Schlüsselorganisationsprinzip der kondensierten Materie heraus. Schwere-Fermionen-Metalle wurden als prototypische Systeme besonders intensiv untersucht. Hier führen quantenkritische Fluktuationen zu interessanten Phänomenen wie dem Nicht-Fermiflüssigkeitsverhalten und der unkonventionellen Supraleitung. Andererseits offenbaren die quantenkritischen Eigenschaften aber auch einen tiefen Einblick in die Natur der über den quantenkritischen Punkt verbundenen Phasen. Kondoisolatoren, elektrisch isolierende Analoga der Schwere-Fermionen-Metalle, erhielten bisher vergleichsweise wenig Aufmerksamkeit. Dies hat sich mit dem Vorschlag, dass SmB6 ein topologischer Kondoisolator ist, drastisch geändert. Topologische Isolatoren und insbesondere ihre stark korrelierten Kondo-Versionen sind von großem Interesse als neue Phasen der kondensierten Materie. Ihre topologisch geschützten leitenden Oberflächenzustände könnten zudem neue Wege in der Mikroelektronik eröffnen. TopQuantum zielt darauf ab, das Verständnis des faszinierenden Zusammenspiels von starken Korrelationen, Symmetrie und Topologie mit dem Studium ausgewählter Kondoisolatoren einen wesentlichen Schritt weiterzubringen. Dazu sollen Substitutionen und/oder Druck Übergänge zwischen isolierenden und metallischen, paramagnetischen und magnetischen, topologischen und topologisch trivialen Phasen induzieren und die physikalischen Eigenschaften im Verlauf dieser Übergänge zur Identifikation der erreichten Phasen genutzt werden.

Topologie und Quantenktitikalität in Kondoisolatoren Elektronen in einfachen Metallen verhalten sich nach bekannten Prinzipien (der Einteilchen-Schrödinger-Gleichung). Ihre Hauptanwendung als Träger von Elektrizität beruht auf ihrer elektrischen Ladung (der Elementarladung). Das Elektron besitzt jedoch noch einen weiteren Freiheitsgrad, seinen Spin (ein elementares magnetisches Moment); seine Nutzung für die Verarbeitung, den Transport und die Speicherung von Information wird weltweit mit großem Nachdruck erforscht. A priori ist die Bewegung der Elektronenladung unabhängig vom Spinzustand. Unter speziellen Bedingungen (in sogenannten Weyl-Halbmetallen) können Ladung und Spin jedoch so aneinander gekoppelt sein, dass die Bewegung eines Elektrons entlang eines bestimmten Weges nur für eine bestimmte Spinorientierung möglich ist. Ein solcher Zustand mit Impuls-Spin-Locking hat das Potenzial, Schwierigkeiten in der Entwicklung spinbasierter (Quanten-) Anwendungen zu überwinden. Im vorliegenden Projekt wurden Isolatoren mit schmaler Energielücke (Kondo-Isolatoren), die durch eine spinabhängige Wechselwirkungen zwischen den Elektronen stabilisiert werden, untersucht. Dabei wurde von einem internationalen Team aus Chemikern und experimentellen und theoretischen Physikern ein neuer Materiezustand, der als Weyl-Kondo-Halbmetall bezeichnet wird, entdeckt. Dieser neue Zustand hat exotische Eigenschaften: Seine (Quasi-) Teilchen verhalten sich wie langsames Licht und zeigen eine riesige transversale (Hall-) Spannung als Reaktion auf einen elektrischen Strom, die normalerweise nur durch ein Magnetfeld erzeugt werden kann. Beide Eigenschaften können durch Temperatur und Magnetfelder geschaltet werden. Diese Entdeckungen sind von großem fundamentalen Interesse und haben Potenzial für Quantenanwendungen.