Hochzeit von Topologie und Magnetismus in einem Weyl Halbmetall

Die topologischen Weyl und Dirac Halbmetalle sind durch lineare, sich kreuzende Energie-Impuls Beziehungen für Ladungsträger gekennzeichnet, die folglich als masselose Ladungsträger beschrieben werden können, so wie man sie schon vom Graphen kennt.

Die Eigenschaften von Weyl und Dirac Halbmetallen lassen sich z. B. im elektrischen Stromfluss durch diese Materialien nachweisen. Dafür müssen sich die Kreuzungspunkte nahe der Fermi Energie befinden, der Energie, bis zu welcher das Material mit Ladungsträgern gefüllt ist und die daher für die Eigenschaften des Materials verantwortlich ist.

Bisher wurden topologische Effekte nur in nichtmagnetischen Materialien beobachtet. Dabei kann man diese aufgrund des Magnetismus in magnetischen Materialien noch häufiger erwarten als in nichtmagnetischen Materialien.

Das liegt im Zusammenspiel zwischen Symmetrie, relativistischen Effekten und der magnetischen Struktur, was prinzipiell eine breite Variation von topologischen Phasen ermöglicht. Mehr noch, die Topologie kann über die sogenannte Berry Krümmung regelrecht designt werden. Die Berry Krümmung ist ein mathematischer Begriff, der die quantenmechanische Verschränkung des Valenzbandes mit dem Leitungsband beschreibt.

Ein prominentes Beispiel ist die Kreuzung des s-Leitungsbandes mit dem p-Valenzband, wie man es in Bismut-Verbindungen als “inertes Elektronenpaar” kennt. Beispiele für kürzlich beobachtete Eigenschaften in Weyl Halbmetallen sind die chirale Quantenanomalie, welche für den Pionen Zerfall in der Hochenergiephysik formuliert wurde, und die gravitationelle Anomalie aus der Astrophysik.

Um die Weyl-Kreuzungspunkte in der elektronischen Struktur von Halbmetallen zu beobachten, benötigt man normalerweise eine Symmetriebrechung in der Anordnung von Atomen im Kristall. Magnetismus hat dieselbe Konsequenz. Bisher konnte kein magnetisches Weyl Halbmetall mit Kreuzungspunkten nahe der Fermi Energie experimentell nachgewiesen werden.

In der im Fachmagazin „Nature Physics“ veröffentlichten Studie haben Wissenschaftler vom Max-Planck-Institut für Chemische Physik fester Stoffe (MPI CPfS), in Kooperation mit der TU Dresden und anderen internationalen Forschungseinrichtungen, nun Evidenz für Weyl Physik in dem magnetischen Shandit Co3Sn2S2 gefunden. Parallel mit dieser Studie wurde ein Artikel eines japanischen Teams über Weyl Physik in Co2MnGa, einer magnetischen Heusler Verbindung, für die Prof. Felsers Gruppe vom MPI CPfS Weyl Punkte an der Fermi Energie vorhergesagt haben, veröffentlicht.

Das wesentliche atomare Strukturelement der Familie der Shandite sind quasi zweidimensionale Kagome Netze. Co3Sn2S2 ist die spannendste Verbindung mit der höchsten magnetischen Übergangstemperatur, in der die magnetischen Momente senkrecht zur Kagome Ebene ausgerichtet sind. Diese Eigenschaften sind nach heutiger Erkenntnis eine gute Voraussetzung für interessante Quanteneffekte in magnetischen Materialien wie den Quantenanomalen Hall (QAH) Effekt, der 2013 bei sehr tiefen Temperaturen entdeckt wurde.

Die Realisierung des QAH Effekts bei Raumtemperatur würde neue Computer-technologien wie z.B. Quantencomputer ermöglichen. Unsere Strategie zur Realisierung eines QAH Effekts ist (i) die Suche nach quasi-zweidimensionalen magnetischen Materialien mit topologischen Bandstrukturen nahe der Fermi Energie und (ii) deren Herstellung als dünne Filme oder in atomaren Monolagen.

Die Messung des Hall Winkels (große anomale Hall Leitfähigkeit bei kleiner Ladungsträgerkonzentration) neben den magnetischen Eigenschaften ist ein erster wichtiger Schritt zur experimentellen Identifizierung guter Kandidaten. Die Bedingungen sind in Co3Sn2S2 und auch in Co2MnGa weitgehend erfüllt. Co2MnGa hat die höhere magnetische Übergangstemperatur, ist aber eher ein Metall als ein Halbmetall.

Co3Sn2S2 weist einen solchen großen anomalen Hall Effekt und einen großen Hall Winkel bis zu 150 K auf. Entsprechend finden sich Weyl Kreuzungspunkte nahe der Fermi Energie. Zusätzlich konnte auch die chirale Anomalie als experimentelle Signatur eines Weyl Halbmetalls nachgewiesen werden. Unsere Arbeit zeigt damit einen klaren Weg zum QAH bei höheren Temperaturen in einer neuen Familie von topologischen Magneten auf.

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; Enke Liu, PhD

Giant anomalous Hall effect in a ferromagnetic kagome-lattice semimetal, Nature Physics, https://doi.org/10.1038/s41567-018-0234-5

http://www.cpfs.mpg.de