Topological excitations in magnets, superconductors, and magnet-superconductor heterostructures

Abstract

Topologische Anregungen sind in zahlreichen Bereichen der Physik verbreitet. Diese Arbeit widmet sich den topologischen Anregungen in Magneten, Supraleitern und deren Heterostrukturen. Die Ergebnisse meiner Dissertation lassen sich in vier Hauptpunkte gliedern: (I) Wir konnten zeigen, dass topologische magnetische Strukturen wie magnetische Wirbel, Droplets und Skyrmionen in spintronischen Systemen effektiv als Frequenzvervielfacher eingesetzt werden können. Durch gezielte Anregung gebundener Moden in Skyrmionen bei Bruchteilen ihrer Eigenfrequenzen konnte ich den Bereich der kontrollierbaren Frequenzen erweitern. (II) Ein besonderer Schwerpunkt meiner Arbeit lag auf der Entwicklung und Verbesserung eines robusten numerischen Rahmens zur Berechnung des Eigensystems eines Supraleiters, der an einen magnetischen Dünnfilm gekoppelt ist. Mit dieser Methode war es möglich, die adiabatische Entwicklung des supraleitenden Ordnungsparameters präzise zu analysieren. (III) Durch unsere Untersuchungen von Supraleiter-Magnet-Heterostrukturen konnte wir wertvolle Erkenntnisse über die komplexen Wechselwirkungen zwischen supraleitenden Wirbeln und magnetischen Domänenwänden gewinnen. Besonders der magnetoelektrische Effekt, der durch die Spin-Bahn-Kopplung induziert wird, enthüllte ein reichhaltiges Zusammenspiel dieser Wechselwirkungen, das maßgeblich von der Helizität der Domänenwand und der Wirbelstärke abhängt. (IV) Ein weiterer bedeutsamer Beitrag meiner Forschung war die Untersuchung der Anwendbarkeit von Skyrmion-Vortex-Paaren in Supraleiter-Magnet-Heterostrukturen für topologische Quantencomputer. Durch adiabatische Verflechtung dieser hybriden topologischen Anregungen konnte ich die nicht-abelsche Statistik der gebundenen Majorana-Nullmoden numerisch bestätigen. Dies eröffnet vielversprechende Perspektiven für die Realisierung skalierbarer Plattformen für topologische Quantencomputer.