Mikroskopický pohled na kvazičástice ve van der Waalsových magnetických systémech

• Název práce v češtině: Mikroskopický pohled na kvazičástice ve van der Waalsových magnetických systémech
• Název v anglickém jazyce: Microscopic picture of quasiparticles in van der Waals magnetic systems
• Akademický rok vypsání: 2025/2026
• Typ práce: disertační práce
• Ústav: Katedra fyziky kondenzovaných látek (32-KFKL)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. Karel Carva, Ph.D.

Zásady pro vypracování

Jedná se o teoretickou práci vycházející ze znalostí kvantové mechaniky a fyziky kondenzovaných látek, zejména principů magnetických interakcí a konceptu kvazičástic. Žadatel by měl analyzovat existující modely popisující podobné problémy a ověřit jejich použitelnost na studované systémy. Očekává se, že bude provádět ab initio simulace založené na teorii funkcionálu hustoty a extrahovat výměnné interakce, řešit numericky relevantní problémy v rámci lineární teorie spinových vln, topologické teorie a stochastické dynamiky magnetizace. Ty poslouží ke studiu magnonových spekter, interakce s fonony, efektů konečných teplot atd. Během výzkumu bude muset zpracovat velké množství dat, porozumět jim, vyvodit možné závěry a také interpretovat srovnatelné experimentální poznatky. Bližší podrobnosti budou uvedeny v individuálním studijním plánu.

Seznam odborné literatury

N. Majlis, The Quantum Theory of Magnetism (World Scientific Publishing, Singapore 2000)
O. Eriksson, A. Bergman, L. Bergqvist, and J. Hellsvik, Atomistic Spin Dynamics: Foundations and Applications (Oxford University Press, Oxford, 2017).
K. S. Burch, D. Mandrus, and J.-G. Park, Nature 563, 47 (2018)
Y.-S. Lu, PRL 127, 217202 (2021).
H. Zhang, PRL 127, 247202 (2021)

Předběžná náplň práce

Ukázalo se, že schopnost řídit elektronické stavy dvourozměrných (2D) materiálů vede k novým fyzikálním jevům a konceptům zařízení. Existuje velké množství materiálů složených z vrstev spojených slabými van der Waalsovými (vdW) silami, které umožňují snadnou separaci vrstev a jejich libovolné stohování. Některé vdW magnety si zachovávají magnetismus i při nanometrové tloušťce. Tato situace poskytuje přístup k dynamice interagujících spinů ve dvou dimenzích. Hamiltonián, který tuto situaci popisuje, může být založen na Isingově, XY, Heisenbergově či Kitaevově modelu.
Mnoho jedinečných vlastností vdW magnetů je spojeno s jeho kvazičásticemi. Například ve feromagnetech s honeycomb mřížkou se elementární magnetické excitace, magnony, chovají jako bosonová verze Diracových částic. Navíc může být v Diracově bodě magnonového spektra z různých příčin otevřen tzv. topologický gap. Protože je magnon bez náboje, neprodukuje žádné Jouleovo teplo, takže je vhodný pro aplikace v nízkoenergetických výpočetních paradigmatech. Mnoho otevřených otázek souvisí s nedávno objeveným magnonovým termálním Hallovým jevem. Ten může být vyvolán magnon-fononovou vazbou a nedávno byla prokázána různá propojení mezi fonony a magnetismem ve vdW materiálech.
Hlubší pochopení naměřených výsledků bude možné díky ab initio výpočtům. Velmi přínosné zde bude zejména vyhodnocení výměnných interakcí a fononových spekter při různých poruchách. Výpočty mohou pomoci interpretovat možné neobvyklé transportní vlastnosti díky jejich schopnosti selektivně aktivovat/deaktivovat efekty které ovlivňují transport, jako je spin-orbitální interakce, magnetická neuspořádanost nebo posunutí vyvolaná fonony.

Předběžná náplň práce v anglickém jazyce

The ability to control the electronic states of two-dimensional (2D) materials has been shown to lead to new physical phenomena and device concepts. There is a large number of materials composed of layers coupled by weak van der Waals (vdW) forces, which allow for easy layer separation and arbitrary stacking of these. Several vdW magnets could be thinned down to nanoscale thickness, while still maintaining magnetism. This situation provides access to the low-dimensional dynamics of interacting spins. The Hamiltonian describing it may be based on the Ising, XY, Heisenberg or the Kitaev model.
Many of vdW magnets’ unique properties are connected to its quasiparticles. For example in ferromagnets with a honeycomb lattice, elementary magnetic excitations, magnons, behave like bosonic version of Dirac particles. Furthermore, the so called topological gap at the Dirac point of magnon spectrum could be open due to several reasons. Because magnon is chargeless, it produces no Joule heat, making it suitable for applications in low-energy computation paradigms. Many open questions are related to the recently discovered magnon thermal Hall effect. It may be driven by the magnon-phonon coupling, and multiple connections between phonons and magnetism in vdW materials have been demonstrated recently.
Deeper understanding of the measured results will be possible due to ab initio calculations. Especially the evaluation of exchange interactions and phonon spectra under various perturbations will be highly beneficial here. Calculations can help interpret possible unusual transport properties due to their ability to selectively enable/disable effects that influence transport, as is the spin-orbit interaction, magnetic disorder or phonon induced displacements.