SPP 1666:  Topologische Isolatoren: Materialien - grundlegende Eigenschaften - Strukturen für Bauelemente

• Fachliche Zuordnung: Physik
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 220179758

Die Entdeckungen des Quanten-Spin-Hall-Effekts und der topologischen Isolatoren (TI) haben eine neue Materialklasse in zwei beziehungsweise drei Dimensionen begründet. Topologische Isolatoren sind nur in ihrem Inneren Isolatoren und weisen elektrisch leitende, topologisch geschützte Oberflächenzustände auf. Derzeit ist die Zahl der Materialien überschaubar, für die die elektronische Bandstruktur eines TI nachgewiesen wurde, und nur sehr wenige Systeme zeigen experimentell nachweisbare Oberflächenzustände, obwohl die Zahl der vorhergesagten TI-Materialien beständig steigt. Das Schwerpunktprogramm soll daher einen wesentlichen Fortschritt durch die Bearbeitung der folgenden Aufgabengebiete herbeiführen: (1) Verbesserung existierender TI-Materialien: Die momentan verfügbaren Materialien (Heterostrukturen von HgTe/Cd1-xHgxTe und Oberflächen von Bi1-xSbx, Bi2Te3, Bi2Se3, Sb2Te3, einschließlich ihrer ternären und quaternären Verbindungen) zeigen eine sehr kleine Bandlücke bzw. eine intrinsische Dotierung, die das Volumen in ein Metall überführt. Diese Materialien sollen verbessert werden, um Anwendungen bei Raumtemperatur unter Mitwirkung des ein- bzw. zweidimensionalen Oberflächenzustands zu ermöglichen. Hierzu sind Untersuchungen des Wachstums und der geometrischen und elektronischen Struktur erforderlich. (2) Grundlegende Eigenschaften und Bauelementstrukturen: Die grundlegenden Eigenschaften der TI führen zu vielen außergewöhnlichen elektronischen Merkmalen wie der verbotenen Rückstreuung. Deren Untersuchung ist wesentlich, um Bauelementstrukturen und Messtechniken, insbesondere für spinabhängige Transportphänomene, zu entwickeln, die in zukünftigen elektronischen Bauteilen verwendet werden können. (3) Neue Materialien und Konzepte: Neue Materialien (z.B. Heusler-Verbindungen, Oxide) können die Beschränkungen gegenwärtig bekannter TI-Materialien überwinden helfen sowie weitere neue Eigenschaften mit sich bringen. Innovative Konzepte, beispielsweise zum Nachweis von Majorana-Fermionen mittels TI, sollen entwickelt werden. Das Schwerpunktprogramm führt die deutschen Forschergruppen auf dem Gebiet der zwei- und dreidimensionalen TI zusammen, insbesondere experimentell und theoretisch arbeitende Gruppen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Internationaler Bezug: Dänemark, Luxemburg, Russische Föderation, Spanien

Projekte

• Ab-initio Rechnungen der elektronischen und Transport-Eigenschaften eindimensionaler Randzustände nanostrukturierter topologischer Isolatoren (Antragsteller Bihlmayer, Gustav )
• Current induced spin polarization in 3D topological insulator thin films (Antragsteller Burghard, Marko Klaus )
• DFT+DMFT Untersuchung von stark korrelierten topologischen Materialien (Antragsteller Zhang, Ph.D., Hongbin )
• Fermi Level Tuning by Low Temperature Atomic Layer Deposition/Epitaxy (ALD/ALE) of Ternary Chalcogenide Layers (Antragsteller Schulz, Stephan ;  Zierold, Robert )
• Fingerprint of surface and bulk states in transport of 3D topological insulators (Antragstellerin Hankiewicz, Ewelina M. )
• Hybride Dünnfilmstrukturen von topologischen Isolatoren mit Supraleitern und Ferromagneten: Experiment und Theorie (Antragsteller Dahm, Thomas ;  Reiss, Günter )
• In-situ Verbindung von supraleitenden und ferromagnetischen Materialien mit topologischen Isolatoren durch Prozessführung im Ultrahochvakuum (Antragsteller Tjeng, Liu Hao )
• InAs/GaSb/AlSB 2D topological insulator materials and devices (Antragsteller Kamp, Martin )
• Induzierte Supraleitung in HgTe Nanodrähten (Antragsteller Molenkamp, Laurens W. )
• Kontrollierte Ladungs- und Spin-Ströme in Oberflächenzuständen eines topologischen Isolators (Antragsteller Buhmann, Hartmut )
• Koordinationsfonds (Antragsteller Rader, Oliver )
• Korrelation zwischen geometrischer und elektronischer Struktur an Oberflächen und Grenzflächen adsorbatbelegter Topologischer Isolatoren. (Antragsteller Meyerheim, Holger L. )
• Magnetisch dotierte topologische Isolatoren: vom Grundzustand zur Dynamik (Antragstellerinnen / Antragsteller Ebert, Hubert ;  Fischer, Saskia F. ;  Rader, Oliver )
• Magnetotransport in magnetisch dotierten topologischen Isolatoren (Antragsteller Molenkamp, Laurens W. )
• Molekularstrahlepitaxie von dreidimensionalen und neuartigen zweidimensionalen topologischen Isolatoren (Antragsteller Mussler, Gregor )
• Neuartige 2D-Materialien: Funktionalisierte Stanene und Bismuthene Honeycomb-Gitter (Antragsteller Schäfer, Jörg )
• New Topological Insulators based on ternary chalcogenides of Bi, Pb and TI (Antragsteller Grin, Juri ;  Pfitzner, Arno )
• Niedrig-dimensionale optoelektronische Dynamiken in 3D topologischen Isolatoren (Antragsteller Holleitner, Alexander Walter )
• Optimierung der Grenzfläche zwischen topologischen Isolatoren und Supraleitern im Hinblick auf die lokale Detektion von Majorana Zuständen (Antragsteller Morgenstern, Markus )
• Phasenkohärente Effekte in 3D HgTe Drähten (Antragsteller Weiss, Dieter )
• Proximity-Effekte in Topologischen Isolatoren (Antragsteller Fabian, Jaroslav )
• Proximity-induzierten Magnetismus, Elektrodynamik, und Störstellen in topologischen Isolatoren und Weyl Halbmetalle (Antragsteller Eremin, Ilya )
• Quantentransport in Nanostrukturen von 3D-Topologischer Isolator (Antragsteller Dufouleur, Ph.D., Joseph )
• Quantentransport in topologischen Isolatoren (Antragsteller Mirlin, Alexander )
• Quasi-Teilchen Interferenz Oberflächen- und Volumen-dotierter topologischer Isolatoren und Weyl-Halbmetalle (Antragsteller Bode, Matthias ;  Sessi, Paolo )
• Raster-Tunnelmikroskopie und -spektroskopie an Kondo Isolatoren (Antragsteller Wirth, Steffen )
• Single crystalline Bi2Te3 und Bi2Se3 Nanowires as topological insulator materials: synthesis and properties (Antragstellerin Toimil-Molares, Maria Eugenia )
• Spin- and angular - resolved ultraviolet photoemission spectroscopy of new topological insulators (Antragsteller Elmers, Hans-Joachim )
• Spin-auflösende Rastertunnelspektroskopie, ARPES und XMCD von Heterostrukturen aus magnetisch dotierten topologischen Isolatoren (Antragsteller Hofmann, Philip ;  Wiebe, Jens )
• Spin-Ladungs-gekoppelter Magnetotransport und mesoskopische Interferenzeffekte in topologischen Isolatoren (Antragsteller Richter, Klaus )
• Spin Streuung topologisch geschützter Elektronen an Defekten (Antragsteller Mavropoulos, Phivos )
• Spintransport; Quantentransport; Neue Materialien; Topologische Isolatoren (Antragsteller Beschoten, Bernd )
• Strom-induzierte Spin-Transfer-Torque Effekte an Ferromagnet / topologischer Isolator Grenzflächen aus spektroskopischer Sicht (Antragsteller Plucinski, Lukasz )
• Theorie der optischer Untersuchungen an topologischen Isolatoren (Antragsteller von Oppen, Felix )
• Thin films based on topological Heusler materials (Antragstellerinnen / Antragsteller Chadov, Stanislav ;  Felser, Claudia ;  Reiss, Günter )
• Topologische Isolatoren in Bismuth-Halogen und verwandten Systemen: Design, Synthese, Optimierung und Eigenschaften (Antragstellerinnen / Antragsteller Doert, Thomas ;  Isaeva, Anna )
• Topologische Isolatoren mit schwachen und starken Indizes (Antragsteller Brouwer, Piet W. )
• Topologische Semimetallphasen in HgTe-basierten Legierungen: Berryologie und Oberflächentransport (Antragsteller Ernst, Arthur ;  Henk, Jürgen )
• Topologische Weyl Halbmetalle für Spintronik-Funktionseinheiten (Antragstellerinnen / Antragsteller Felser, Claudia ;  Parkin, Stuart )
• Transport signatures of Majorana fermions in Coulomb blockaded topological insulator nanowires (Antragsteller Egger, Reinhold )
• Transporteigenschaften von doppellagigen topologischen Isolatoren (Antragsteller Trauzettel, Björn )
• Ultraschnelle Ladungsträgerdynamik in topologischen Isolatoren (Antragsteller Höfer, Ulrich )
• Untersuchung von direktionalen THz Spinströmen in topologischen Oberflächenzuständen (Antragsteller Heiliger, Christian ;  Kampfrath, Tobias ;  Münzenberg, Markus )
• Untersuchung vorhergesagter topologischer Oberflächenzustände in korrelierten Übergangsmetalloxiden (Antragsteller Gegenwart, Philipp ;  Wenderoth, Martin )
• Wechselwirkende topologische Isolatoren (Antragsteller Thomale, Ronny )
• Zyklotronresonanzinduzierte Photoströme und optoelektronische Charakterisierung von 2D und 3D topologischen Isolatoren (Antragsteller Ganichev, Sergey )

• Sprecher: Professor Dr. Oliver Rader