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Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die Spindephasierung optisch angeregter itineranter Ladungsträger in magnetisch dotierten Volumenhalbleitern mit Methoden der zeitaufgelösten magneto-optischen Ultra-Kurzzeit-Spektroskopie untersucht und eine theoretische Beschreibung der Spindephasierung entwickelt, die ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen aufweist. Beim untersuchten Material Cd1-xMnxTe handelt es sich um einen sog. magnetischen Halbleiter, der die elektronischen Eigenschaften eines Halbleiters mit den magnetischen Eigenschaften eines Paramagneten vereint. Bedingt durch die starke sp/d-Austauschwechselwirkung zwischen den Spins der lokalisierten magnetischen Ionen und denen der optisch angeregten itineranten Ladungsträger, kommt es zur Ausbildung vieler neuer, bisher unbekannter, aber auch zur Modifikation bereits bekannter Effekte. Die Wirkungsweise der sp/d-Austauschkopplung in magnetischen Halbleitern kann stark vereinfacht gesprochen als eine Art „Verstärker“ verstanden werden, der unter anderem zu einer Intensivierung all solcher Effekte führt, die durch Magnetfelder, seien sie externer oder interner Natur, bedingt sind. Durch diese starke Respons auf externe Magnetfelder kommt es in magnetischen Halbleitern zu einer starken Überhöhung der Zeeman-Aufspaltung, so daß eine getrennte Beobachtung der ansonsten entarteten Spinzustände möglich wird. Die Methode der Wahl zur Untersuchung der zeitlichen Entwicklung der energetisch aufgespaltenen Spinzustände ist die Detektion der zeitaufgelösten Spinquantenschwebungen der Ladungsträger, die das zeitaufgelöste Analogon zur Detektion des Hanle-Effektes in Gasen darstellt. Hierfür kam ein magneto-optischer Detektionsaufbau zum Einsatz, der es ermöglichte, die zeitliche Entwicklung der Komponenten der transienten Magnetisierungen der im Magnetfeld präzedierenden Ladungsträgerspins zu erfassen und so Rückschlüsse auf die Lebensdauer der angeregten Zustände zu schließen. Da die so bestimmten Dephasierungszeiten der detektierten Transienten der Spinquantenschwebungen eine starke Abhängigkeit von den externen Parametern wie der Temperatur, dem Magnetfeld und der magnetischen Dotierung aufweisen, war es ein Ziel dieser Arbeit, eine systematische Untersuchung der gefundenen Abhängigkeiten durchzuführen, um so eine möglichst breite Datenbasis für die weitere theoretische Untersuchung der gefundenen Ergebnisse zu schaffen. Im Zuge dieser Untersuchungen gelang uns unter anderem der erste experimentelle Nachweis der oszillatorischen Signaturen von kohärenten Lochspinquantenschwebungen in magnetisch dotierten Halbleitern. Obwohl magnetisch dotierte Halbleiter bereits seit mehr als 30 Jahren experimentell untersucht werden, konnten unsere experimentellen Befunde zur Spindephasierung optisch angeregter Ladungsträger durch keines der etablierten Modelle zur Beschreibung der Spindephasierung, sei es in magnetisch dotierten oder in undotierten Halbleitern, beschrieben werden. Aus diesem Grund wurde ausgehend vom Gedanken, daß lokale Fluktuationen der Magnetisierung der magnetischen Ionen einen starken Einfluß auf die Lebensdauer der itineranten Spins haben, ein neues Modell entwickelt. Dieses Modell beruht auf der Adaption einer Beschreibung der Spindephasierung, die im Rahmen von Kernresonanzexperimenten entwickelt wurde und der Orientierung der Störungen der Magnetisierung in bezug zur Orientierung der Spins der itineranten Ladungsträger besonders Rechnung trägt. Durch die konsequente Ableitung quantitativer Ausdrücke für die Stärke der Magnetisierungsfluktuationen unter Berücksichtigung quantenmechanischer Fluktuationen gelang es uns, eine einfache Beschreibung für die Spindephasierung optisch angeregter Elektronen und Löcher in magnetischen Halbleitern in Abhängigkeit von der Temperatur, dem Magnetfeld und der Mangan-Dotierung zu formulieren. Die im Rahmen unseres Modells berechneten Dephasierungszeiten weisen im Bereich geringer Mangan-Konzentrationen (x <4 %) ein hohes Maß an Übereinstimmung mit den experimentellen Daten auf und können die beobachteten Temperatur- und Magnetfeldabhängigkeiten sehr gut wiedergeben. Für noch höhere Konzentrationen der Mangan-Ionen treten zunehmend Abweichungen der berechneten Dephasierungszeiten von den experimentellen Daten auf, die allerdings immer noch eine qualitative Aussage über das Verhalten der Spindephasierung erlauben. So reproduziert unser Modell unter anderem den experimentell für alle Proben gefundenen, an sich nicht direkt einsichtigen Befund, zunehmender Spinlebenszeiten mit steigender Temperatur, der allgemein als "motional narrowing" bezeichnet wird. Da das von uns vorgestellte Modell ohne wahlfreie Parameter auskommt und die zur Berechnung der Spindephasierungszeiten notwendigen Größen der Literatur entnommen oder experimentell bestimmt werden können, ist der hohe Grad an Übereinstimmung mit den experimentellen Ergebnissen beachtlich. Weitere Verfeinerungen des Modells könnten zu einer weiteren Steigerung der Übereinstimmung vor allem im Bereich hoher Mangan-Konzentrationen führen, jedoch würde dies unserer Meinung nach den Rahmen des vorgestellten Modells sprengen. Wir verstehen unsere theoretische Untersuchung zur Spindephasierung vielmehr als einen Startpunkt für eine nun durchzuführende exakte quantenmechanische theoretische Untersuchung der Spindephasierung optisch angeregter Ladungsträger in magnetischen Halbleitern. Weitere Untersuchungen müssen nun klären, inwieweit das von uns für die Beschreibung der Spindephasierung in magnetisch dotierten CdTe-Volumenhalbleitern entwickelte Modell auf II-VI-Volumenhalbleiter allgemein und andere magnetisch dotierte Materialien wie z.B. magnetische III-V-Halbleiter vom Typ Ga1-xMnxAs übertragbar sind, die speziell im Hinblick auf ihre ferromagnetische Ordnung unter dem Einfluß der RKKY-Wechselwirkung und deren möglichen Einfluß auf die Spindephasierung von besonderem Interesse sind.
This thesis contains three theoretical works about certain aspects of the interplay of electronic correlations and topology in the Hubbard model.
In the first part of this thesis, the applicability of elementary band representations (EBRs) to diagnose interacting topological phases, that are protected by spatial symmetries and time-reversal-symmetry, in terms of their single-particle Matsubara Green’s functions is investigated. EBRs for the Matsubara Green’s function in the zero-temperature limit can be defined via the topological Hamiltonian. It is found that the Green’s function EBR classification can only change by (i) a gap closing in the spectral function at zero frequency, (ii) the Green’s function becoming singular i.e. having a zero eigenvalue at zero frequency or (iii) the Green’s function breaking a protecting symmetry. As an example, the use of the EBRs for Matsubara Green’s functions is demonstrated on the Su-Schriefer-Heeger model with exact diagonalization.
In the second part the Two-Particle Self-Consistent approach (TPSC) is extended to include spin-orbit coupling (SOC). Time-reversal symmetry, that is preserved in the presence of SOC, is used to derive new TPSC self-consistency equations including SOC. SOC breaks spin rotation symmetry which leads to a coupling of spin and charge channel. The local and constant TPSC vertex then consists of three spin vertices and one charge vertex. As a test case to study the interplay of Hubbard interaction and SOC, the Kane-Mele-Hubbard model is studied. The antiferromagnetic spin fluctuations are the leading instability which confirms that the Kane-Mele-Hubbard model is an XY antiferromagnet at zero temperature. Mixed spin-charge fluctuations are found to be small. Moreover, it is found that the transversal spin vertices are more strongly renormalized than the longitudinal spin vertex, SOC leads to a decrease of antiferromagnetic spin fluctuations and the self-energy shows dispersion and sharp features in momentum space close to the phase transition.
In the third part TPSC with SOC is used to calculate the spin Hall conductivity in the Kane-Mele-Hubbard model at finite temperature. The spin Hall conductivity is calculated once using the conductivity bubble and once including vertex corrections. Vertex corrections for the spin Hall conductivity within TPSC corresponds to the analogues of the Maki-Thompson contributions which physically correspond to the excitation and reabsorption of a spin, a charge or a mixed spin-charge excitation by an electron. At all temperatures, the vertex corrections show a large contribution in the vicinity of the phase transition to the XY antiferromagnet where antiferromagnetic spin fluctuations are large. It is found that vertex corrections are crucial to recover the quantized value of −2e^2/h in the zero-temperature limit. Further, at non-zero temperature, increasing the Hubbard interaction leads to a decrease of the spin Hall conductivity. The results indicate that scattering of electrons off antiferromagnetic spin fluctuations renormalize the band gap. Decreasing the gap can be interpreted as an effective increase of temperature leading to a decrease of the spin Hall conductivity.
This thesis has two main parts.
The first part is based on our publication [1], where we use perturbation theory to calculate decay rates of magnons in the Kitaev-Heisenberg-Γ (KHΓ) model. This model describes the magnetic properties of the material α-RuCl 3 , which is a candidate for a Kitaev spin liquid. Our motivation is to validate a previous calculation from Ref. [2]. In this thesis, we map out the classical phase diagram of the KHΓ model. We use the Holstein-Primakoff
transformation and the 1/S expansion to describe the low temperature dynamics of the Kitaev-Heisenberg-Γ model in the experimentally relevant zigzag phase by spin waves. By parametrizing the spin waves in terms of hermitian fields, we find a special parameter region within the KHΓ model where the analytical expressions simplify. This enables us to construct the Bogoliubov transformation analytically. For a representative point in the special parameter region, we use these results to numerically calculate the magnon damping, which is to leading order caused by the decay of single magnons into two. We also calculate the dynamical structure factor of the magnons.
The second part of this thesis is based on our publication [3], where we use the functional renormalization group to analyze a discontinuous quantum phase transition towards a non-Fermi liquid phase in the Sachdev-Ye-Kitaev (SYK) model. In this thesis, we perform a disorder average over the random interactions in the SYK model. We argue that in the thermodynamic limit, the average renormalization group (RG) flow of the SYK model is identical to the RG flow of an effective disorder averaged model. Using the functional RG, we find a fixed point describing the discontinuous phase transition to the non-Fermi liquid phase at zero temperature. Surprisingly, we find a finite anomalous dimension of the fermions, which indicates critical fluctuations and is unusual for a discontinuous transition. We also determine the RG flow at zero temperature, and relate it to the phase diagram known from the literature.
This thesis is situated in the field of frustrated magnetism, a subfield of condensed matter physics that describes the magnetic degrees of freedom in solids. Extended Kitaev models describe a particular class of materials where spin-orbit coupling, combined with effects from crystal field theory and strong electronic correlations, leads to effective magnetic interactions that are highly anisotropic. Such interactions can give rise to exotic physics, such as the emergence of a quantum spin liquid. In this thesis, extended Kitaev models are studied theoretically, primarily using numerical methods.
A heavily investigated Kitaev candidate material is α-RuCl3, where a key question has been centered on the possible existence of a magnetic-field-induced quantum spin liquid. While numerous experimental studies have uncovered various unconventional phenomena in this material and suggested different interpretations of the underlying physics, this thesis provides a comprehensive comparison and explanation of these phenomena within one consistent theoretical framework. Aside from purely magnetic properties, an additional focus lies on magnetoelastic effects, in which the coupling of the crystal lattice to the anisotropic spin system has to be considered.
Beyond α-RuCl3, a number of more recently introduced Kitaev candidate materials are investigated theoretically. This includes the materials RuBr3 and RuI3, whose layered honeycomb crystal structures resemble α-RuCl3 but heavier ligands lead to different spin-orbit coupling effects, as well as NaRuO2, which realizes a triangular-lattice structure.