Väitös teknillisen fysiikan alalta, M.Sc. Guangze Chen

Väitöskirjan nimi: Designing exotic phases of matter with magnetic van der Waals materials

Opiskelija: Guangze Chen
Vastaväittäjä: professori Nuno M. R. Peres, Universidade do Minho, Portugali
Kustos: apulaisprofessori Jose L. Lado, Aalto-yliopiston perustieteiden korkeakoulu, teknillisen fysiikan laitos

Aineilla on harvinaisia ja kiehtovia olomuotoja, joiden tutkiminen on kiinnostavaa ja tärkeää sekä perus- että soveltavan tutkimuksen kannalta. Kvanttimagnetismi on olennainen ainesosa erilaisissa eksoottisissa elektronisissa faaseissa, kuten kvantti-spin-nesteet, topologiset suprajohteet ja raskaat fermioni-materiaalit. Nämä ilmiöt ovat herättäneet merkittävää kiinnostusta, mutta niiden tunnistamisessa ja tutkimisessa todellisissa materiaaleissa on edelleen merkittäviä haasteita. Viimeaikaiset kehitysaskeleet kaksiulotteisissa magneetisissa van der Waals -materiaaleissa tarjoavat käytännön esimerkkejä kvanttimagnetismista ja mahdollistavat täysin uudenlaisia ratkaisutapoja eksoottisten faasien realisoimiseksi. Tässä väitöskirjassa tutkimme teoreettisten menetelmien avulla, miten erilaisia eksoottisia faaseja voidaan toteuttaa ja tunnistaa magneettisissa van der Waals -materiaaleissa. 

Ensimmäisessä lähestymistavassa näytämme, että magneettisen van der Waals -materiaalin ominaisuuksien manipulointi epäpuhtauksilla, atomihilaa kiertämällä tai eri substraatteja käyttämällä mahdollistaa Dirac-tyyppisten kvantti-spin-nesteiden toteuttamisen ja tutkimisen. Toisessa lähestymistavassa näytämme, että magneetti/metalli-heterorakenteita voidaan hyödyntää helikaalisten- tai ns. raskaiden fermioni-tilojen suunnitteluun. Näistä jälkimmäinen on toteutettu myös kokeellisesti 1T/1H-TaS2-heterorakenteessa Aalto-yliopiston Atomic Scale Physics -tutkimusryhmässä. Kolmannessa lähestymistavassa tutkimme, miten kvanttimagneetin ja sen ympäristön välinen vuorovaikutus, jolla on yleensä ei-toivottuja vaikutuksia, voi itse asiassa olla hyödyksi kestäviä ja suojattuja eksitaatioita luodessa. 

Kaikkien edellä mainittujen tutkimusprojektien aikana olemme hyödyntäneet erilaisia moderneja numeerisia työkaluja. Olemme kehittäneet kaksi laskentakirjastoa, "Twistronics.jl" ja "NHKPM.jl", joiden avulla muut voivat toistaa tuloksemme ja jotka ovat vapaasti saatavilla alan tutkimusta varten. 

Tutkimuksemme korostaa magneettisten van der Waals -materiaalien monipuolisuutta uusien elektronisten faasien suunnittelussa. Se tarjoaa myös arvokkaita oivalluksia kokeelliseen tutkimukseen tällä alalla. Laajentamalla ymmärrystämme näistä materiaaleista voimme avata tien lisätutkimuksille muihin kiehtoviin faaseihin, kuten moniferroisiin materiaaleihin. Tieteellisten havaintojemme lisäksi laskentakirjastomme tarjoavat lähtökohdan teoreettisille tutkimuksille näissä materiaaleissa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 10 päivää ennen väitöstä): 
https://aaltodoc.aalto.fi/doc_public/eonly/riiputus/

Contact information

Perustieteiden korkeakoulun väitöskirjat: https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/52