Väitös, fotoniikka ja nanotekniikka, M.Sc. Fedor Nigmatulin

Väitöskirjan nimi: Emergent Phenomena in Two-Dimensional Magnetic and Excitonic Materials

Väittelijä: Fedor Nigmatulin
Vastaväittäjä: Prof. Stephan Roche, Institut Català de Nanociència i Nanotecnologia (ICN2), Espanja
Kustos: Prof. Zhipei Sun, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Kaksiulotteiset (2D) materiaalit, joiden paksuus voi vaihdella yhdestä useampaan atomikerrokseen, ovat viime vuosina herättäneet laajaa tutkimuskiinnostusta merkittävän sovelluspotentiaalinsa ja perustavanlaatuisen fysiikkansa ansiosta. 2D-materiaalien erityiset ominaisuudet, kuten kvanttirajoittuminen, helppo muunneltavuus ja integroitavuus heterorakenteisiin, mahdollistavat laajan kirjon uusia ilmiöitä. Toisaalta näiden uusien ilmiöiden vieminen alustavista demonstraatioista käytännön sovelluksiin, kuten spintroniikan ja polaritoniikan laitteisiin, on osoittautunut haastavaksi. Keskeisiä haasteita ovat esimerkiksi 2D-epäkollineaarisen magnetismin havaitseminen sekä pitkän matkan energiansiirron toteuttaminen kahden kvanttiemitterin välillä. Näitä spintroniikan ja polaritoniikan haasteita tutkitaan tässä väitöskirjassa.

Tämä väitöskirja esittää, että sähköisiä mittauksia voidaan käyttää vaikeasti havaittavan 2D-spinspiraalimagnetoitumisen mittaamiseen. Väitöskirjassa osoitetaan, että topologisen reunakanavan sähkövirran avulla voidaan havaita merkkejä spinspiraalisesta magneettisesta järjestyksestä. Lisäksi sähköstaattisen ohjauksen ja ulkoisen magneettikentän funktiona mitattuun monimutkaiseen sähköiseen kuljetusdataan sovelletaan koneoppimisalgoritmia, jonka avulla moiré-materiaaleissa esiintyviä 2D-spinspiraalitekstuureja voidaan rekonstruoida luotettavasti epäpuhtauksista ja mittauskohinasta huolimatta.

Lisäksi väitöskirjassa esitetään, että materiaalista ja valosta koostuvat hybriditilat eli polaritonit voivat helpottaa sidottujen elektroni–aukko-parien eli eksitonien välistä energiasiirtoa 2D-materiaaleissa optisessa kaviteetissa. Tehokas energiansiirto todennetaan käyttämällä kokeellista dataa eksitonipopulaatiodynamiikan kvanttisimulaation syötteenä. Tämän energian siirron kantama on mikrometriluokkaa, joka ylittää tavanomaisen kantaman satakertaisesti.

Tämän väitöskirjan tulokset auttavat ymmärtämään 2D-materiaalien uusia ilmiöitä ja edistävät niiden kokeellista todentamista. Väitöskirja tarjoaa uusia vaihtoehtoja 2D-epäkollineaaristen magneettisten materiaalien mittaamiseen ja ymmärtämiseen erityisesti frustroiduissa, multiferroisissa ja moiré‑järjestelmissä. Lisäksi se käsittelee pitkän matkan energiansiirtoa eksitonien välillä 2D‑puolijohteissa luoden perustan lupaaville sovelluksille.

Avainsanat: kaksiulotteiset materiaalit

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc 

Yhteystiedot:
fedor.nigmatulin@aalto.fi