Anschlussprojekte

PD Dr. Rossitza Pentcheva
Ludwig-Maximilians-Universität München
Fakultät für Geowissenschaften - Geo- und Umweltwissenschaft - Kristallographie


Prof. Dr. Warren E. Pickett
University of California, Davis
Department of Physics

Computer Design von topologischem Verhalten in digitalen Oxid-Heterostrukturen

Topologische Isolatoren (TI) und neuartige elektronische Phasen an Oxid-Grenzflächen sind zwei Forschungsbereiche, die in den letzten Jahren ein reges Forschungsinteresse und Aktivität ausgelöst haben. Während die Materialklassen, in denen das jeweilige Phänomen auftritt, bislang weitgehend disjunkt zueinander sind, sind die Übergangsmetalloxide mit ihrem reichen elektronischen Verhalten vielversprechende Kandidaten bei der Suche nach topologischen Phasen. Aufbauend auf eine langjährige Expertise in der theoretischen Beschreibung von Oxidgrenzflächen, sollen im vorliegenden Projekt Design-Prinzipien für topologisches Verhalten in Oxid-basierten künstlichen nanoskaligen Übergittern ermittelt werden. Mittels Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen und unter Berücksichtigung von Korrelationseffekten sollen strukturelle Muster und die chemische Zusammensetzung systematisch untersucht werden, um ein fundamentales Verständnis der grundlegenden Mechanismen für das Entstehen unerwarteter elektronischer und magnetischer Phasen zu erzielen.

Ausgangsprojekt: Computer Design komplexer Oxid-Heterostrukturen mit neuer Funktionalität

 

Abschlussbericht

Die BaCaTeC Anschlussförderung ermöglichte intensiven Austausch und Zusammenarbeit zwischen den beiden Kooperationspartnern mit einem Schwerpunkt auf der Suche und Design neuartiger und topologisch nicht-trivialer Phasen in Oxidübergittern mit einem Honigwaben-Strukturmuster. Mithilfe von Dichtefunktionaltheorie-Berechnungen mit einem Coulomb-Abstoßungsterm, sowie einer topologischen Analyse auf der Grundlage der berechneten anomalen Hall-Leitfähigkeit konnten eine Reihe vielversprechender Systeme identifiziert werden mit einer Perowskit bzw. Korund-Struktur. Für LaXO3-Bilagen mit einer (111)-Orientierung, getrennt durch Schichten des Bandisolators LaAlO3, zeigen mehrere Vertreter der 3d-Reihe (z. B. X = Mn, Co, Ni) [1,2] Dirac-ähnliche Kreuzungen an der Fermi Kante. Ein unerwartet starker Spin-Bahn-Effekt wurde für die LaMnO3(111)-Doppelschicht festgestellt, der eine erhebliche Bandlücke öffnet und das System zu einem Chern-Isolator macht, wenn die Symmetrie zwischen den beiden Honigwaben-Untergittern erhalten bleibt [2]. Symmetriebrechungen unterdrücken zwar die topologischen Eigenschaften, führen jedoch zu unerwarteten Orbitalrekonstruktionen, die nicht in (001)-orientierten Übergittern vorzufinden sind. Diese systematische Studie diente als Grundlage für die Erweiterung auf Übergitter vom Korund-Typ [3,5] sowie auf 4d- und 5d-Elemente [4-6], um einen grundlegenden Einblick in den Effekt der Bandfüllung und des Zusammenspiels elektronischer Korrelationen und Spin-Bahn-Kopplung zu erhalten. Daraus ist auch eine Zusammenarbeit mit experimentellen Gruppen hervorgegangen, die an der Realisierung dieser Systeme arbeiten, z.B. [7,8].

[1] D. Doennig, W.E. Pickett and R. Pentcheva, Confinement-driven transitions between topological and Mott phases in (LaNiO3)N/(LaAlO3) M (111) superlattices, Phys. Rev. B 89, 121110(R) (2014).

[2] D. Doennig, S. Baidya, W.E. Pickett and R. Pentcheva, Design of Chern and Mott insulators in buckled 3d oxide honeycomb lattices,Phys. Rev. B 93, 165145 (2016).

[3] O. Köksal, S. Baidya, and R. Pentcheva, Confinement-driven electronic and topological phases in corundum-derived 3d-oxide honeycomb lattices, Phys. Rev. B 97, 035126 (2018).

[4] H. Guo, S. Gangopadhyay, O. Köksal, R. Pentcheva, and W. E. Pickett,  Wide gap Chern Mott insulating phases achieved by design, npj Quantum Materials 2, 4 (2017).

[5] O. Köksal and R. Pentcheva, Interaction-driven spin-orbit effects and Chern insulating phases in corundum-based 4d and 5d oxide honeycomb lattices, J. Phys. Chem. Solids (Special Issue: Spin-Orbit Materials), 128, 301-309 (2019).

[6] O. Köksal and R. Pentcheva, Chern and Z(2) topological insulating phases in perovskite-derived 4d and 5d oxide buckled honeycomb lattices, Sci. Reports 9, 17306 (2019).

[7] S. Middey, D. Meyers, D. Doennig, M. Kareev, X. Liu, Y. Cao, Zhenzhong Yang, Jinan Shi, Lin Gu, P. J. Ryan, R. Pentcheva, J. W. Freeland, and J. Chakhalian, Mott Electrons in an Artificial Graphenelike Crystal of Rare-Earth Nickelate,  Phys. Rev. Lett. 116, 056801 (2016).

[8] A. Arab, X. Liu, O. Köksal, W. Yang, R. U. Chandrasena1, S. Middey, M.-A. Husanu, Z. Yang, L. Gu, V. N. Strocov, T.-L. Lee, J. Minár, R. Pentcheva, J. Chakhalian, and A. X. Gray, Electronic structure of a graphene-like artificial crystal of NdNiO3, Nanolett. 19, 8311 (2019).

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