Project

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Supraleitung und Magnetismus in starkkorrelierten Elektronensystemen

English title Superconductivity and magnetism in strongly correlated electron systems
Applicant Sigrist Manfred
Number 184739
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Institut für Theoretische Physik ETH Zürich
Institution of higher education ETH Zurich - ETHZ
Main discipline Theoretical Physics
Start/End 01.04.2019 - 31.03.2023
Approved amount 930'001.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Theoretical Physics
Condensed Matter Physics

Keywords (8)

artificially structured superconductors; condensed matter theory; non-centrosymmetric superconductors; unconventional superconductivity; topological superconductors; chiral superconductors; transport properties; strongly correlated electron systems

Lay Summary (German)

Lead
Unkonventionelle Supraleiter haben aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften einen herausragenden Platz in der Erforschung von Materialien. Dieses Projekt der theoretischen Festkörperphysik beschäftigt sich damit die Natur dieser Systeme zu ergründen und allgemeine Prinzipien herauszuarbeiten, die es erlauben sollen, supraleitende Materialien mit spezifischen Eigenschaften zu entwerfen.
Lay summary

Materialien mit neuen Eigenschaften sind wesentlich für den Fortschritt der Wissenschaft und unentbehrlich im Hinblick auf Anwendungen in modernen Technologien. Die Hauptrolle dabei spielen die Elektronen. In den letzten Jahren hat sich die Aufmerksamkeit auf Materialien gerichtet, in denen die Bewegung der Elektronen zusammen mit Effekten der speziellen Relativitätstheorie (Spin-Bahn-Kopplung) zu sogenanntem topologisch nicht-trivialen Quantenverhalten Anlass geben, wobei sich Eigenschaften eines Materials in wundersamer Weise nur global, aber nicht lokal, beeinflussbar sind. Ein weiterer wichtiger Aspekt ist die Abstossung zwischen den negativ geladenen Elektronen, die zu einer Vielfalt von Materialzuständen führen, die vorwiegend bei tiefen Temperaturen realisiert werden. Dazu gehören verschiedenste Formen des Magnetismus und der Supraleitung. Vorallem Materialklassen, in denen diese Abstossung stark ist, wie etwa Übergangsmetall-Oxide, Verbindungen schwerer Elektronen und Pniktid-Verbindungen, zählen zu den herausragendsten Beispielen. Das vorliegende Projekt richtet sein Augenmerk vorallem auf unkonventionelle Formen der Supraleitung, in denen sich sowohl interessante topologische Eigenschaften wie auch ungewöhnliche Formen des Magnetismus vereinen. Das Ziel ist es theoretische Modelle und Methoden zu entwickeln, um aufgrund von Symmetrieeigenschaften und allgemeinen Prinzipien experimentelle Resultat zu erklären oder vorauszusagen. Dabei steht vorallem das Identifizieren und Charakterisieren von supraleitenden Zuständen im Vordergrund. Prominent sind die sogenannt chiralen Zustände, die sich durch ihre magnetischen Eigenschaften entscheidend von denen gewöhnlicher Supraleiter unterscheiden. Obwohl heutzutage schon einige Materialien bekannt sind, die wahrscheinlich solche Zustände realisieren, ist es bisher noch nicht gelungen, ihre Chiralität unwiderlegbar zu nachzuweisen. Ein Aufgabe dieses Projektes ist es einer solchen Bestätigung näher zu kommen. Ähnliche Herausforderungen bestehen auch bei anderen exotische Supraleitungsphasen, die möglicherweise in Materialien mit aufgrund der Kristallstruktur reduzierten Symmetrien auftreten. Von theoretischer Seite können hier neue Betrachtungsweisen entwickelt werden, die es schliesslich erlauben sollen, bekannte Superleiter zu klassifizieren und neue Supraleiter zu konzipieren, in dem man Systeme künstlich aufbaut, etwa in Form von Heterostrukturen und Übergittern durch Kombination von verschiedenen Materialien, die vorallem durch die Symmetrieeigenschaften das Verhalten der Elektronen in beabsichtigter Weise beeinflussen. Solche Systeme könnten durch ihre Besonderheiten auch interessant für technologische Anwendungen sein.   

 
Direct link to Lay Summary Last update: 07.04.2019

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Associated projects

Number Title Start Funding scheme
169040 Research in Theoretical, Mathematical and Computational Physics 01.10.2016 Project funding (Div. I-III)
188742 Research in Theoretical Physics 01.10.2020 Project funding (Div. I-III)
163186 Supraleitung und Magnetismus in starkkorrelierten Elektronensystemen 01.10.2015 Project funding (Div. I-III)

Abstract

Symmetry and topology are the two central mathematical concepts used most frequently to characterize quantum phases of materials. They incorporate the notion of rigidity putting each phase in a certain category of states sharing a set of common properties. Super- conductivity is one of the most remarkable phases displaying this idea in condensed matter physics. The superconducting phase is characterized by symmetry as it is reached through a symmetry breaking phase transition. While most known superconductors are topologically trivial, the number of suspected topological superconductors is growing through accidental discovery and targeted search in compounds and artificially grown structures.In this project we focus on unconventional superconductivity, in general, and on topologi- cal aspects of superconductors. The best-known case is the class of chiral superconductors which break time reversal symmetry and exhibit intrinsic magnetic properties observable by various experimental probes. Materials believed to realize chiral superconductivity include prominent examples such as Sr2RuO4, SrPtAs and URu2Si2. Among these Sr2RuO4 occu- pies a special place as the undoubtedly best investigated case so far. Despite a large bulk of experimental results strongly supporting the chiral nature of superconducting phase, there is a considerable number of apparently inconsistent and puzzling observations initiating recently a controversy on the pairing symmetry and topology. The present project aims at taking up the challenge to develop a consistent picture of this important example among the possible topological superconductors. Thereby we do not only address issues connected with topology, but target also open problems on the side of magnetic, thermodynamic and transport properties under the influence of external perturbations, such as applied magnetic fields and stress.Research on superconductivity in materials with reduced symmetry has gained momentum in recent years, in particular, for systems lacking one or both key symmetries, time reversal and inversion symmetry. These superconductors call for a modification of their symmetry classification, since their order parameters can adopt rather complex structure. Symmetry reduction sometimes provides a route towards creating superconducting order parameters with special, in particular, topological properties. We plan also to explore the influence of symmetry reduction on measurable quantities such as critical currents and critical fields. Moreover, techniques to probe spatially modulated superconducting phases, another form of reduced symmetry, will be part of our project. Accompanying and benefitting from developments of new experimental techniques we intend to study ways of probing and controlling superconducting order parameters, in general.
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