Unconventional Thermoelectric Quantum Transport in Novel 2D Magnetic Heterostructures

Tenk deg en fremtid der smarttelefonen din er kraftigere, raskere og mer energieffektiv enn noe vi kjenner i dag. Hvordan? Gjennom et revolusjonerende felt innen fysikk kalt todimensjonal (2D) kvantespintronikk. Denne banebrytende forskningen kan forandre måten vi lagrer, behandler og kommuniserer data på, og åpne dørene til nye teknologier som ultraraske kvantedatamaskiner. Kjernen i dette gjennombruddet er 2D-materialer – ultratynne lag av atomer som oppfører seg på ekstraordinære måter. Nylig oppdaget forskere at noen av disse materialene er magnetiske. Enda mer spennende er at de finnes i forskjellige former: noen er metaller, andre halvledere eller til og med isolatorer. Denne unike kombinasjonen av magnetisme, kvantemekanikk og lavdimensjonal struktur er det som gjør disse materialene så spesielle. Målet med QTransMag-prosjektet er å utforske og forstå disse 2D-magnetiske systemene bedre. Ved hjelp av avanserte datasimuleringer og teoretiske modeller, har forskerne som mål å avdekke de skjulte egenskapene til disse materialene. De vil fokusere på hvordan ytre påvirkninger som vridning eller strekking av materialene kan føre til nye, eksotiske magnetiske tilstander. En av de mest spennende mulighetene er å skape "designede" magnetiske faser. Tenk deg å kunne kontrollere egenskapene til et materiale like enkelt som å justere volumet på stereoanlegget ditt. Denne evnen kan føre til utvikling av skreddersydde materialer for kvanteenheter, og revolusjonere alt fra datamaskiner til medisinsk teknologi. Til syvende og sist søker prosjektet å finne måter å oppdage disse eksotiske magnetiske fasene på og bruke dem i virkelige applikasjoner. Hvis de lykkes, kan det føre til en ny generasjon enheter som opererer på kvantenivå, og tilby enestående ytelse og effektivitet innen informasjonsteknologi.

A far-reaching recent breakthrough in spintronics is the discovery of 2D ferro- and antiferro-magnetic materials with metallic, semiconducting and insulating band structures. The unique advantages presented by the coexistence of low dimensionality, spin interactions, relativistic spin-orbit coupling, and nontrivial topology in the same material enable a new era in condensed matter physics, and materials science and pave the way for developing novel quantum devices with exceptional performance. 2D quantum spintronics offers exciting perspectives in future data processing and information technology. According to the latest decennial report of the Committee on Frontiers of Materials Research in the USA, 2D quantum magnetic systems and topological phases are the main directions of condensed matter physics and materials science in the next decade. QTransMag's goal is to uncover the exotic properties of novel 2D magnetic systems, propose feasible pathways to fine-tune these exotic phases, and making properties-on-demand approach. In QTransMag, we integrate advanced theoretical and sophisticated computational techniques to understand, control, probe, and excite different magnetic exotic phases in two prototypes of 2D magnetic systems. In low dimensions, quantum fluctuations and correlations are enhanced thus, to investigate 2D magnetic materials it is needed to go beyond semiclassical treatment used in spintronics. In this project, using nonequilibrium many body formalism and quantum field theory techniques, we develop a formalism to compute the ground states and different exotic phases of a magnetic system under strain and twist. Emergent gauges fields and particular topology of wavefunctions in different exotic magnetic phases may lead to a signature in transport properties of the system. We propose these features as a guideline for detecting exotic magnetic phases in 2D quantum systems.