Symmetrie, Ordnung und kollektive Quantenanregungen
Wie bestimmt die Symmetrie der Materie die Eigenschaften ihrer Quantenanregungen? Unsere Gruppe untersucht diese Frage entlang der verschiedenen Freiheitsgrade kondensierter Materie – von Elektronen und Orbitalen über Spins bis hin zu Gitterschwingungen.
Ein besonderes Interesse gilt Situationen, in denen Symmetrie und Ordnung neue Formen kollektiven Verhaltens hervorbringen. Magnetische und orbitale Ordnung, Kristallsymmetrien und ihr Zusammenspiel können charakteristische Strukturen in den Quantenanregungen eines Materials erzeugen und Phänomene hervorbringen, die keine einfache Entsprechung in konventionellen Materialien besitzen. Ein zentrales Thema unserer Forschung ist es daher, Symmetrie als Gestaltungsprinzip für Quantenanregungen zu verstehen und zu nutzen.
Ein Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf Magnonen, den kollektiven Anregungen magnetischer Ordnung. Wir untersuchen ihre Topologie, Spinpolarisation, Wechselwirkungen und Transporteigenschaften – von Magnon-Chern-Isolatoren und Weyl-Punkten über wechselwirkungsinduzierte Topologie und Magnonenzerfall bis hin zur Hybridisierung verschiedener Vielteilchensektoren.
In jüngerer Zeit untersuchen wir insbesondere, wie Altermagnetismus und verwandte Formen unkonventioneller magnetischer Ordnung kollektive Anregungen verändern. Wir haben gezeigt, wie orbitale Ordnung selbst Altermagnetismus hervorbringen kann und wie die charakteristischen Spintexturen im Impulsraum nicht nur in elektronischen Bändern, sondern auch in Magnonen und anderen kollektiven Moden auftreten können. Dazu gehören spinaufgespaltene Magnonen, kollektive Spin-Dämonen-Moden und unkonventionelle magnetische Antworten.
Diese Konzepte übertragen wir auch über den Magnetismus hinaus. Phononen können durch Magnon-Phonon-Hybridisierung Symmetrie und Topologie magnetischer Anregungen übernehmen und dadurch ungewöhnliche Drehimpulstexturen von Gitterschwingungen ausbilden. Ebenso kann die Kopplung von Magnonen an Plasmonen neue hybride Quasiteilchen hervorbringen, deren Topologie aus dem Zusammenspiel elektronischer und magnetischer Freiheitsgrade entsteht.
Ein übergeordnetes Ziel unserer Forschung ist es zu verstehen, wie unterschiedliche Quantenfreiheitsgrade miteinander wechselwirken und kommunizieren. Hybridisierung, Wechselwirkungen und Symmetrie können dabei den Charakter einer Anregung grundlegend verändern: Ein Magnon kann zu einem gemischten Spin-Multipol-Quasiteilchen werden, ein Phonon zu einem chiralen Magnon-Phonon-Hybrid, oder getrennte elektronische und magnetische Moden können zu einer topologischen Magnon-Plasmon-Anregung verschmelzen.
Anstatt Elektronen, Spins, Orbitale und Phononen als voneinander getrennte Sektoren zu betrachten, suchen wir daher nach den übergreifenden Prinzipien, die ihre kollektive Dynamik bestimmen. Unsere Forschung verbindet Symmetrieanalyse, analytische Vielteilchentheorie, mikroskopische Modellbildung und numerische Methoden, um neue Quasiteilchen, unkonventionelle Formen von Ordnung und neue Erscheinungsformen von Topologie in Quantenmaterialien zu entdecken.
