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

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Topologische Isolatoren sind Materialien, die in ihrem Innern elektrisch isolierend sind, aber durch topologisch geschützte elektronische Rand- oder Oberflächenzustände Strom leiten können. Diese Materialien sind daher wichtig für eine zukünftige Form von Elektronik mit deutlich geringerem Energieverbrauch, unter anderem da die Stromleitung im Prinzip verlustlos erfolgt. Die topologischen Zustände führen zugleich auch zu Quanteneffekten, die in der Metrologie ausgenutzt werden können, wo sie als neuartiges Normal für den elektrischen Widerstand verwendet werden können. Gegenwärtig erfordern diese Normale Geräte zur Erzeugung hoher Magnetfelder, während die topologischen Materialien quasi ihr eigenes Magnetfeld nutzen können. Der dritte wichtige zukünftige Anwendungsbereich ist eine topologische Form des Quantencomputings. Quantencomputer können Probleme lösen, die für herkömmliche Computer zu schwierig sind, beispielsweise in der Chemie und Pharmakologie. Es gibt viele verschiedene Ansätze für Quantencomputer, allerdings benötigt man bei allen derzeit 100 bis 1000 Mal mehr Recheneinheiten als bei einem topologischen Quantencomputer, da dieser prinzipiell stabil gegen Rauschen ist. Im SPP1666 wurde erstmals eine neue Klasse topologischer Materialien erzeugt, die sogenannten topologischen Weyl-Semimetalle, unter anderem das Material Niobphosphid. Diese Materialien haben besondere Eigenschaften, beispielsweise reagiert ihre elektrische Leitfähigkeit sehr stark auf Magnetfelder. Fundamental neue Effekte sind dabei vorhergesagt, deren Beobachtung man im SPP1666 näher gekommen ist. Eine andere neue Klasse von topologischen Isolatoren, die im SPP 1666 entdeckt und zum ersten Mal vollständig klassifiziert wurde, sind topologische Isolatoren höherer Ordnung. Für diese wurden neuartige topologische Zustände vorhergesagt. Dadurch wird die Palette der möglichen Materialien mit topologischen Effekten enorm erweitert. Einer der beiden wichtigsten topologischen Quanteneffekte, der Quanten-Spin-Hall-Effekt, könnte mit einem neuen Material, das zum ersten Mal im SPP1666 synthetisiert wurde, enorm verbessert werden. Die Betriebstemperatur lässt sich von bisher nötigen tiefsten Temperaturen um das nahezu Hundertfache steigern und erreicht im Prinzip Raumtemperatur, den spektroskopischen Daten nach zu urteilen. Das Material ist "Bismuthen" mit der Honigwabenstruktur von Graphit bzw. Graphen, aber bestehend aus einer Atomlage Bismut statt Kohenstoffatomen. Der andere neuartige topologische Quanteneffekt wird als anomaler Quanten-Hall-Effekt bezeichnet. Er ist der vielversprechendste Kandidat, um den derzeitigen Quanten-Hall- Effekt-Standard zu ersetzen. Hier ist es notwendig, ein magnetisches topologisches Material herzustellen. Das war bisher ausschließlich durch Einbringen magnetischer Verunreinigungen möglich. Im SPP1666 wurden stoichoimetrische magnetische topologische Isolatoren entdeckt, bei denen die magnetischen Elemente nicht länger Spuren, sondern Hauptbestandteile sind. Dementsprechend sind die gewünschten Effekte wesentlich ausgeprägter und die Anwendung bei einem Produkt wahrscheinlicher geworden. Dies kann zunächst zum Widerstandsnormal, ggf. später auch zum topologischen Quantencomputing führen. Ein topologischer Quantencomputer erfordert zunächst die Kombination verschiedener Eigenschaften wie Supraleitung und Magnetismus mit topologischem Material. Im SPP1666 wurden wichtige Beobachtungen für ganz verschiedene Plattformen gemacht, die es erlauben, die gewünschten Effekte von anderen, ähnlich erscheinenden Effekten zu unterscheiden.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Controllable Magnetic Doping of the Surface State of a Topological Insulator. Physical Review Letters, 110(12).
  Schlenk, T.; Bianchi, M.; Koleini, M.; Eich, A.; Pietzsch, O.; Wehling, T. O.; Frauenheim, T.; Balatsky, A.; Mi, J.-L.; Iversen, B. B.; Wiebe, J.; Khajetoorians, A. A.; Hofmann, Ph. & Wiesendanger, R.
  
• Photocurrent response of topological insulator surface states. Physical Review B, 88(7).
  Junck, Alexandra; Refael, Gil & von Oppen, Felix
  
• Conductivity of a generic helical liquid. Physical Review B, 90(7).
  Kainaris, Nikolaos; Gornyi, Igor V.; Carr, Sam T. & Mirlin, Alexander D.
  
• Deposition of topological insulator Sb2Te3 films by an MOCVD process. Journal of Materials Chemistry A, 2(22), 8215.
  Bendt, Georg; Zastrow, Sebastian; Nielsch, Kornelius; Mandal, Partha Sarathi; Sánchez-Barriga, Jaime; Rader, Oliver & Schulz, Stephan
  
• Direct observation of half-metallicity in the Heusler compound Co2MnSi. Nature Communications, 5(1).
  Jourdan, M.; Minár, J.; Braun, J.; Kronenberg, A.; Chadov, S.; Balke, B.; Gloskovskii, A.; Kolbe, M.; Elmers, H.J.; Schönhense, G.; Ebert, H.; Felser, C. & Kläui, M.
  
• Coherent ultrafast spin-dynamics probed in three dimensional topological insulators. Scientific Reports, 5(1).
  Boschini, F.; Mansurova, M.; Mussler, G.; Kampmeier, J.; Grützmacher, D.; Braun, L.; Katmis, F.; Moodera, J. S.; Dallera, C.; Carpene, E.; Franz, C.; Czerner, M.; Heiliger, C.; Kampfrath, T. & Münzenberg, M.
  
• Coincidence of superparamagnetism and perfect quantization in the quantum anomalous Hall state. Physical Review B, 92(20).
  Grauer, S.; Schreyeck, S.; Winnerlein, M.; Brunner, K.; Gould, C. & Molenkamp, L. W.
  
• Interacting Surface States of Three-Dimensional Topological Insulators. Physical Review Letters, 115(1).
  Neupert, Titus; Rachel, Stephan; Thomale, Ronny & Greiter, Martin
  
• Magnetotransport in disordered two-dimensional topological insulators: signatures of charge puddles. 2D Materials, 2(2), 024005.
  Essert, Sven & Richter, Klaus
  
• Spin Chirality Tuning and Topological Semimetals in StrainedHgTexS1−x. Physical Review Letters, 114(23).
  Rauch, Tomáš; Achilles, Steven; Henk, Jürgen & Mertig, Ingrid
  
• Superconducting proximity effect in three-dimensional topological insulators in the presence of a magnetic field. Physical Review B, 92(20).
  Burset, Pablo; Lu, Bo; Tkachov, Grigory; Tanaka, Yukio; Hankiewicz, Ewelina M. & Trauzettel, Björn
  
• A high-temperature ferromagnetic topological insulating phase by proximity coupling. Nature, 533(7604), 513-516.
  Katmis, Ferhat; Lauter, Valeria; Nogueira, Flavio S.; Assaf, Badih A.; Jamer, Michelle E.; Wei, Peng; Satpati, Biswarup; Freeland, John W.; Eremin, Ilya; Heiman, Don; Jarillo-Herrero, Pablo & Moodera, Jagadeesh S.
  
• Current-Induced Spin Polarization in Topological Insulator–Graphene Heterostructures. Nano Letters, 16(4), 2595-2602.
  Vaklinova, Kristina; Hoyer, Alexander; Burghard, Marko & Kern, Klaus
  
• Dual nature of magnetic dopants and competing trends in topological insulators. Nature Communications, 7(1).
  Sessi, Paolo; Biswas, Rudro R.; Bathon, Thomas; Storz, Oliver; Wilfert, Stefan; Barla, Alessandro; Kokh, Konstantin A.; Tereshchenko, Oleg E.; Fauth, Kai; Bode, Matthias & Balatsky, Alexander V.
  
• Towards Realistic Implementations of a Majorana Surface Code. Physical Review Letters, 116(5).
  Landau, L. A.; Plugge, S.; Sela, E.; Altland, A.; Albrecht, S. M. & Egger, R.
  
• Bismuthene on a SiC substrate: A candidate for a high-temperature quantum spin Hall material. Science, 357(6348), 287-290.
  Reis, F.; Li, G.; Dudy, L.; Bauernfeind, M.; Glass, S.; Hanke, W.; Thomale, R.; Schäfer, J. & Claessen, R.
  
• Circular and linear photogalvanic effects in type-II GaSb/InAs quantum well structures in the inverted regime. Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, 85(c(2017, 1)), 193-198.
  Plank, H.; Tarasenko, S.A.; Hummel, T.; Knebl, G.; Pfeffer, P.; Kamp, M.; Höfling, S. & Ganichev, S.D.
  
• Designing 3D topological insulators by 2D-Xene (X = Ge, Sn) sheet functionalization in GaGeTe-type structures. Journal of Materials Chemistry C, 5(19), 4752-4762.
  Pielnhofer, F.; Menshchikova, T. V.; Rusinov, I. P.; Zeugner, A.; Yu. Sklyadneva, I.; Heid, R.; Bohnen, K.-P.; Golub, P.; Baranov, A. I.; Chulkov, E. V.; Pfitzner, A.; Ruck, M. & Isaeva, A.
  
• Stability of Weyl points in magnetic half-metallic Heusler compounds. Physical Review B, 96(2).
  Chadov, Stanislav; Wu, Shu-Chun; Felser, Claudia & Galanakis, Iosif
  
• Two-dimensional topological nodal line semimetal in layered Sr, and Ba, Sb, and Bi. Physical Review B, 95(23).
  Niu, Chengwang; Buhl, Patrick M.; Bihlmayer, Gustav; Wortmann, Daniel; Dai, Ying; Blügel, Stefan & Mokrousov, Yuriy
  
• Probing spin helical surface states in topological HgTe nanowires. Physical Review B, 97(3).
  Ziegler, J.; Kozlovsky, R.; Gorini, C.; Liu, M.-H.; Weishäupl, S.; Maier, H.; Fischer, R.; Kozlov, D. A.; Kvon, Z. D.; Mikhailov, N.; Dvoretsky, S. A.; Richter, K. & Weiss, D.
  
• Proximity-Induced Superconductivity and Quantum Interference in Topological Crystalline Insulator SnTe Thin-Film Devices. Nano Letters, 18(2), 1264–1268.
  Klett, R.; Schönle, J.; Becker, A.; Dyck, D.; Borisov, K.; Rott, K.; Ramermann, D.; Büker, B.; Haskenhoff, J.; Krieft, J.; Hübner, T.; Reimer, O.; Shekhar, C.; Schmalhorst, J.-M.; Hütten, A.; Felser, C.; Wernsdorfer, W. & Reiss, G.
  
• Band structure engineering in 3D topological insulators. Journal of Physics: Condensed Matter, 31(18), 183001.
  Plucinski, L.
  
• Interacting topological edge channels. Nature Physics, 16(1), 83-88.
  Strunz, Jonas; Wiedenmann, Jonas; Fleckenstein, Christoph; Lunczer, Lukas; Beugeling, Wouter; Müller, Valentin L.; Shekhar, Pragya; Ziani, Niccolò Traverso; Shamim, Saquib; Kleinlein, Johannes; Buhmann, Hartmut; Trauzettel, Björn & Molenkamp, Laurens W.
  
• Magnetotransport measurements on Bi2Te3 nanowires electrodeposited in etched ion-track membranes. Journal of Physics and Chemistry of Solids, 128(c(2019, 5)), 360-366.
  Krieg, J.; Giraud, R.; Funke, H.; Dufouleur, J.; Escoffier, Walter; Trautmann, C. & Toimil-Molares, M.E.
  
• Mixed topological semimetals driven by orbital complexity in two-dimensional ferromagnets. Nature Communications, 10(1).
  Niu, Chengwang; Hanke, Jan-Philipp; Buhl, Patrick M.; Zhang, Hongbin; Plucinski, Lukasz; Wortmann, Daniel; Blügel, Stefan; Bihlmayer, Gustav & Mokrousov, Yuriy
  
• Unique Thickness-Dependent Properties of the van der Waals Interlayer Antiferromagnet MnBi2Te4 Films. Physical Review Letters, 122(10).
  Otrokov, M. M.; Rusinov, I. P.; Blanco-Rey, M.; Hoffmann, M.; Vyazovskaya, A. Yu.; Eremeev, S. V.; Ernst, A.; Echenique, P. M.; Arnau, A. & Chulkov, E. V.
  
• Voltage-tunable Majorana bound states in time-reversal symmetric bilayer quantum spin Hall hybrid systems. Physical Review B, 100(16).
  Schulz, F.; Budich, J. C.; Novik, E. G.; Recher, P. & Trauzettel, B.
  
• Ab Initio Theory of Fourier‐Transformed Quasiparticle Interference Maps and Application to the Topological Insulator Bi2Te3. physica status solidi (b), 258(1).
  Rüßmann, Philipp; Mavropoulos, Phivos & Blügel, Stefan
  
• Anomalous Hall Effect and Magnetoresistance in Sputter‐Deposited Magnetic Weyl Semimetal Co2TiGe Thin Films. physica status solidi (b), 258(1).
  Dyck, Denis; Becker, Andreas; Koo, Jungwoo; Matalla-Wagner, Tristan; Krieft, Jan & Reiss, Günter
  
• Challenges of Topological Insulator Research: Bi2Te3 Thin Films and Magnetic Heterostructures. physica status solidi (b), 258(1).
  Pereira, Vanda M.; Wu, Chi-Nan; Höfer, Katharina; Choa, Arnold; Knight, Cariad-A.; Swanson, Jesse; Becker, Christoph; Komarek, Alexander C.; Rata, A. Diana; Rößler, Sahana; Wirth, Steffen; Guo, Mengxin; Hong, Minghwei; Kwo, Jueinai; Tjeng, Liu Hao & Altendorf, Simone G.
  
• Comparative Scanning Tunneling Microscopy Study on Hexaborides. physica status solidi (b), 258(1).
  Wirth, Steffen; Rößler, Sahana; Jiao, Lin; Ale Crivillero, Maria Victoria; Rosa, Priscila F. S. & Fisk, Zachary
  
• Determination of Out‐of‐Plane Spin Polarization of Topological Surface States by Spin Hall Effect Tunneling Spectroscopy. physica status solidi (b), 258(1).
  Götte, Matthias & Dahm, Thomas
  
• Heterostructures of Graphene and Topological Insulators Bi2Se3, Bi2Te3, and Sb2Te3. physica status solidi (b), 258(1).
  Zollner, Klaus & Fabian, Jaroslav
  
• Higher‐Order Topological Band Structures. physica status solidi (b), 258(1).
  Trifunovic, Luka & Brouwer, Piet W.
  
• Molecular‐Beam Epitaxy of 3D Topological Insulator Thin Films and Devices on Si Substrates. physica status solidi (b), 258(1).
  Mussler, Gregor
  
• Quantum Transport in Nanostructures of 3D Topological Insulators. physica status solidi (b), 258(1).
  Giraud, Romain & Dufouleur, Joseph
  
• Reducing the Impact of Bulk Doping on Transport Properties of Bi‐Based 3D Topological Insulators. physica status solidi (b), 258(1).
  Jafarpisheh, Shaham; Ju, An; Janßen, Kevin; Taniguchi, Takashi; Watanabe, Kenji; Stampfer, Christoph & Beschoten, Bernd
  
• Strong and Weak 3D Topological Insulators Probed by Surface Science Methods. physica status solidi (b), 258(1).
  Morgenstern, Markus; Pauly, Christian; Kellner, Jens; Liebmann, Marcus; Pratzer, Marco; Bihlmayer, Gustav; Eschbach, Markus; Plucinski, Lukacz; Otto, Sebastian; Rasche, Bertold; Ruck, Michael; Richter, Manuel; Just, Sven; Lüpke, Felix & Voigtländer, Bert
  
• Structure and Magnetism of EuS on Bi2Se3physica status solidi (b), 258(1).
  Meyerheim, Holger L.; Ernst, Arthur; Mohseni, Katayoon; Polyakov, Andrey; Maznichenko, Igor V.; Buczek, Pawel A.; Coati, Alessandro & Parkin, Stuart S. P.
  
• Surface Conductivity of the Honeycomb Spin–Orbit Mott Insulator Na2IrO3. physica status solidi (b), 258(1).
  Dziuba, Thomas; Pietsch, Ina-Marie; Stark, Máté; Traeger, Georg A.; Gegenwart, Philipp & Wenderoth, Martin
  
• Terahertz Magnetospectroscopy of Cyclotron Resonances from Topological Surface States in Thick Films of CdxHg1−xTe. physica status solidi (b), 258(1).
  Otteneder, Maximilian; Sacré, Daniel; Yahniuk, Ivan; Budkin, Grigory V.; Diendorfer, Kilian; Kozlov, Dmitry A.; Dmitriev, Ivan A.; Mikhailov, Nikolay N.; Dvoretsky, Sergey A.; Bel'kov, Vasily V.; Knap, Wojciech & Ganichev, Sergey D.
  
• The Impact of Spin–Orbit Interaction on the Image States of High‐Z Materials. physica status solidi (b), 258(1).
  Braun, Jürgen & Ebert, Hubert
  
• Ultrafast and Local Optoelectronic Transport in Topological Insulators. physica status solidi (b), 258(1).
  Kiemle, Jonas; Seifert, Paul; Holleitner, Alexander W. & Kastl, Christoph
  
• Ultrafast Dynamics of Photocurrents in Surface States of Three‐Dimensional Topological Insulators. physica status solidi (b), 258(1).
  Güdde, Jens & Höfer, Ulrich
  
• Visualizing coexisting surface states in the weak and crystalline topological insulator Bi2TeI. Nature Materials, 19(6), 610-616.
  Avraham, Nurit; Kumar Nayak, Abhay; Steinbok, Aviram; Norris, Andrew; Fu, Huixia; Sun, Yan; Qi, Yanpeng; Pan, Lin; Isaeva, Anna; Zeugner, Alexander; Felser, Claudia; Yan, Binghai & Beidenkopf, Haim
  
• Mn‐Rich MnSb2Te4: A Topological Insulator with Magnetic Gap Closing at High Curie Temperatures of 45–50 K. Advanced Materials, 33(42).
  Wimmer, Stefan; Sánchez‐Barriga, Jaime; Küppers, Philipp; Ney, Andreas; Schierle, Enrico; Freyse, Friedrich; Caha, Ondrej; Michalička, Jan; Liebmann, Marcus; Primetzhofer, Daniel; Hoffman, Martin; Ernst, Arthur; Otrokov, Mikhail M.; Bihlmayer, Gustav; Weschke, Eugen; Lake, Bella; Chulkov, Evgueni V.; Morgenstern, Markus; Bauer, Günther; ... & Rader, Oliver
  
• Fermi surface chirality induced in a TaSe2 monosheet formed by a Ta/Bi2Se3 interface reaction. Nature Communications, 13(1).
  Polyakov, Andrey; Mohseni, Katayoon; Felici, Roberto; Tusche, Christian; Chen, Ying-Jun; Feyer, Vitaly; Geck, Jochen; Ritschel, Tobias; Ernst, Arthur; Rubio-Zuazo, Juan; Castro, German R.; Meyerheim, Holger L. & Parkin, Stuart S. P.