Autorem prezentacji była Pani mgr inż. Martyna Sedlmayr
Seminarium było poświęcone omówieniu najważniejszych własności układu złożonego z izolatora topologicznego, znajdującego się pomiędzy dwiema warstwami ferromagnetyka. Zostały zaprezentowane wyniki z wybranych artykułów poświęconych tej tematyce, w tym pracy opublikowanej przez Panią mgr Sedlmayr w kwietniu 2020 r.
Analiza opierała się przede wszystkim na wskazaniu mechanizmu oraz teoretycznego opisu chiralnego efektu Halla z uwzględnieniem tzw. prądu chiralnego, który może płynąć w próbce nawet bez przyłożonego zewnętrznego napięcia. Chiralny efekt Halla występuje na styku izolatora topologicznego i ferromagnetyka. Omówione zostały przypadki występowania tego efektu zarówno w dwuwymiarowych jak i trójwymiarowych strukturach. Główną własnością izolatorów topologicznych jest brak przewodzenia prądu wewnątrz materiału izolatora z jednoczesnym istnieniem chronionych topologicznie przewodzących stanów brzegowych na jego powierzchni. W widmie pasmowym stanów brzegowych można wyróżnić charakterystyczny brak przerwy energetycznej w postaci tzw. stożków Diraca. Z uwagi na możliwość wystąpienia chiralnego efektu Halla (CHE) istotna jest relacja pomiędzy energią wierzchołka takiego stożka i energią Fermiego materiału. Modyfikacja położenia wierzchołka stożka jest możliwa wraz ze zmianą stopnia magnetycznego domieszkowania struktury.
W prezentacji omówione zostały główne rodzaje klasycznych i kwantowych efektów Halla, zarówno normalny polegający na odchyleniu toru ładunków w przewodniku pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, anomalny w którym zmiana kierunku ruchu ładunków jest indukowana wewnętrznym namagnesowaniem oraz spinowy gdzie na skutek domieszek lub oddziaływania spin-orbitalnego dochodzi do powstawania prądów spinowych.
W omawianym modelu rozważana była heterostruktura złożona z trójwymiarowego izolatora topologicznego i warstwy ferromagnetyka zawierającego domeny magnetyczne. Istnieją wówczas topologicznie chronione stany wzdłuż brzegów domen ferromagnetyka o przeciwnych kierunkach namagnesowania. Na ścianach domenowych ferromagnetyka formują się tzw. kink states, zaś stany brzegowe są zlokalizowane na zewnętrznych ściankach domen. Takie stany dotyczą powierzchni trójwymiarowych izolatorów topologicznych zarówno domieszkowanych magnetycznie jak i znajdujących się w sąsiedztwie ferromagnetyka; mogą też występować w dwuwymiarowych izolatorach topologicznych. Ferromagnetyk znajdujący się na trójwymiarowym IT indukuje na jego powierzchni lokalne pole Zeemana, które łamie symetrię translacyjną, oraz symetrię względem odwrócenia czasu. Opis symetrii układu polega na analizie zmiany hamiltonianu pod wpływem przyłożonego pola. Przedyskutowane zostały warunki łamania symetrii, w tym symetrii chiralnej.
Zostało okazane, iż prąd w stanie równowagowym płynący wzdłuż ściany domenowej jest równy sumie równowagowych prądów płynących w przeciwne strony wzdłuż zewnętrznych ścian domen. W przypadku granicznym prąd okazuje się proporcjonalny do liczby Cherna, która może być bezpośrednio powiązana z przewodnością w anomalnym efekcie Halla.
W opisie analitycznym wykorzystano równanie Schrödingera zmodyfikowane tak by opisywało wyindukowane pole Zeemana. Wyznaczone zostały funkcje własne oraz energie własne stanów quasi-brzegowych i dobrze zlokalizowanych stanów kink. Prądy w obu typach stanów różnią się zarówno wartością jak i kierunkiem. W wyniku ich sumowania uzyskujemy niezerowy prąd chiralny, płynący na powierzchni IT. Anomalny efekt Halla pojawia się wówczas na skutek chiralnej struktury magnetycznej domen.
Pani mgr omówiła także model nierównowagowy CHE z zewnętrznym napięciem i uwzględnieniem różniczkowej przewodności Halla. Wyniki te zostały otrzymane metodą numeryczną. W tym przypadku wyznaczono prąd nierównowagowy płynący wzdłuż ścian domen w funkcji napięcia.
W podsumowaniu Pani mgr odniosła się do swoich dalszych badań w ramach projektów poświęconych chiralnym modom Majorany i dynamice skyrmionów.
