Temat: Własności transportowe i termodynamiczne magnetycznych semimetali topologicznych

Opiekun: prof. dr hab. inż. Dariusz Kaczorowski (Oddział Badań Magnetyków)

Kontakt: e-mail: 

Miejsce realizacji: Oddział Badań Magnetyków, Instytut Niskich Temperatur i Badań Strukturalnych PAN, Wrocław

Wprowadzenie: 

Semimetale topologiczne to materiały, w których pasmo przewodnictwa i pasmo walencyjne częściowo się nakładają, a ich przecięcia wykazują liniową dyspersję (stożki Diraca) i są chronione nietrywialną topologią. Układy te stanowią doskonały poligon doświadczalny dla testowania fundamentalnych teorii fizycznych, a jednocześnie ich niezwykłe własności materiałowe, głównie transportowe, stwarzają liczne możliwości praktycznych zastosowań w wielu dziedzinach nowoczesnej techniki i technologii (spintronika, zielona energetyka, komputery kwantowe, …). Wśród semimetali topologicznych opisanych w literaturze są rozmaite układy niedawno zbadane z naszym udziałem, jak np.: nadprzewodzące fazy Heuslera RPdBi (R- lantanowiec) [1,2], centro- i niecentrosymetryczne nadprzewodniki, takie jak a-PdBi2[3] i a-PdBi [4], związki niesymorficzne typu ZrSiS [5-7], czy też tetradymit na bazie hafnu Hf2Te2P [8] albo ditellurek platyny PtTe2[9].

Cel naukowy pracy i proponowane metody badawcze:

Nieomal wszystkie zbadane do tej pory semimetale topologiczne są z natury niemagnetyczne. W proponowanym projekcie doktorskim podjęte zostaną pionierskie prace eksperymentalne i teoretyczne, w których badane będą materiały zawierające w swoim składzie pierwiastki magnetyczne, a mianowicie 3d-elektronowe metale przejściowe, takie jak Cr, Mn, Fe lub Co, jak też 4f-elektronowe metale ziem rzadkich, głównie z grupy lekkich lantanowców. Spodziewać się można, iż obecność momentów magnetycznych (odpowiednio wędrownych i zlokalizowanych) będzie miała fundamentalny wpływ na charakterystyki topologiczne takich układów. 

W ramach proponowanego tematu badawczego syntezowane będą wysokiej jakości monokryształy związków międzymetalicznych, których czystość fazowa i struktura krystaliczna będzie określana za pomocą rentgenografii i mikroskopii elektronowej. Badania własności termodynamicznych i transportowych prowadzone będą z w warunkach multikrytycznych (temperatury do 50 mK, pola magnetyczne do 14 T, ciśnienia do 2 GPa) z wykorzystaniem aparatury pomiarowy bezpośrednio dostępnej w INTiBS PAN. Istotną częścią pracy doktorskiej będzie przeprowadzenie zaawansowanych badań wybranych materiałów techniką spektroskopii fotoelektronów z rozdzielczością kątową (ARPES). Eksperymenty te wykonywane będą początkowo w ramach współpracy z University of Central Florida, a następnie na drodze pozyskiwania czasu pomiarowego w Narodowym Centrum Promieniowania Synchrotronowego SOLARIS oraz w innych europejskich i pozaeuropejskich ośrodkach synchrotronowych. Materiały wykazujące dalekozasięgowy porządek magnetyczny badane będą za pomocą dyfrakcji neutronów termicznych w europejskich centrach neutronowych, po uzyskaniu niezbędnego czasu pomiarowego na drodze konkursowej. Nieodłącznym elementem proponowanego tematu badawczego będzie synergia prac eksperymentalnych i teoretycznych. W szczególności realizowane będą obliczenia struktur elektronowych badanych materiałów topologicznych z wykorzystaniem komercyjnych kodów obliczeniowych będących różnymi implementacjami teorii funkcjonału gęstości elektronowej (DFT).

Cytowane prace własne: 

[1] O. Pavlosiuk, D. Kaczorowski, P. Wiśniewski, Scientific Reports 5 (2015) 9158.
[2] O. Pavlosiuk, D. Kaczorowski, X. Fabreges, A. Gukasov, P. Wisniewski, Scientific Reports 6 (2016) 18797.
[3] K. Dimitri, M. M. Hosen, G. Dhakal, H. Choi, F. Kabir, D. Kaczorowski, T. Durakiewicz, J. X. Zhu, M. Neupane, Physical Review B 97 (2018) 144514.
[4] M. Neupane, N. Alidoust, M. M. Hosen, , J. X. Zhu, K. Dimitri, S. Y. Xu, N. Dhakal, R. Sankar, I. Belopolski, D. S. Sanchez, T. R. Chang, H. T. Jeng, K. Miyamoto, T. Okuda, H. Lin, A. Bansil, D. Kaczorowski, F. Chou, M. Z. Hasan, T. Durakiewicz, Nature Communications 7 (2016) 13315.
[5] M. Neupane, I. Belopolski, M. M. Hosen, D. S. Sanchez, R. Sankar,  M. Szlawska, S.-Y. Xu , K. Dimitri, N. Dhakal, P. Maldonado, P. M. Oppeneer, D. Kaczorowski, F. Chou, M. Z. Hasan, T. Durakiewicz, Physical Review B 93(2016) 201104(R); Editor’s suggestion.
[6] M. Matusiak, J. R. Cooper, D. Kaczorowski, Nature Communications 8 (2017) 15219.
[7] M. S. Lodge, G. Chang, C. Y. Huang, B. Singh, J. Hellerstedt, M. T. Edmonds, D. Kaczorowski, M. M. Hosen, M. Neupane, H. Lin, M. S. Fuhrer, B. Weber, M. Ishigami, Nano Letters 17 (2017) 7213.
[8] M. M. Hosen, K. Dimitri, A. K. Nandy, A. Aperis, R. Sankar, G. Dhakal, P. Maldonaldo, F. Kabir, C. Sims, F. Chou, D. Kaczorowski, T. Durakiewicz, P. M. Oppeneer, M. Neupane, Nature Communications 9 (2018) 3002.
[9] O. Pavlosiuk, D. Kaczorowski, Scientific Reports 8 (2018) 11297.