Spin-Ladungs-gekoppelter Magnetotransport und mesoskopische Interferenzeffekte in topologischen Isolatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Klaus Richter
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2017
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237551910

Genuin mesoskopsiche Interferenzeffekte zeigen wachsende Komplexität in topologischen Isolatoren, in denen kohärente elektronische Leitfähigkeit durch topologisch nicht-triviale, helikale Oberflächenzustände erfolgt, die den isolierenden Bulk umschließen. Wir planen, systematisch verschiedene Aspekte und Phänomene im Magnetotransport durch ballistische und ungeordnete mesoskalige topologische Isolatoren zu erforschen, wobei wir besonderes Augenmerk auf das Wechselspiel von Quantenkohärenz und Topologie legen. Dabei lassen wir uns von folgenden Zielsetzungen leiten: (i) In Erweiterung unserer vielversprechenden Untersuchungen aus der ersten Förderperiode wollen wir die Grenzen und die Robustheit der quantisierten Spin-Hall Leitfähigkeit in zweidimensionalen (2D) Strukturen aufklären mit Schwerpunkt auf der Rolle, die langreichweitige Potentialfluktuationen spielen. (ii) Wir werden weiterhin Quanteninterferenzeffekte, insbesondere Aharonov-Bohm-artige Phänomene, in der Magnetoleitfähigkeit von Nanodrähten untersuchen, die auf 3D topologischen Isolatoren basieren. (iii) Schließlich planen wir, die gekoppelte Ladungs- und Spindynamik auf der Oberfläche von entsprechenden 3D Nanostrukturen zu erforschen mit Fokus auf nicht-lokale Effekte in Konfigurationen mit mehreren Zuleitungen. Dabei werden wir insbesondere, mit Blick auf die Verkettung von Spin und Impuls, Konsequenzen für die Spininjektion und Extraktion über ferromagnetische Kontakte eruieren. Wir werden zum einen analytische Techniken aus der Theorie mesoskopischer Leiter verwenden und zum anderen effiziente tight-binding Transport-Kodes für realistische Modelle von HgTe-basierten topologsichen Isolatoren unter Berücksichtigung von Unordung, Spin-Bahn-Wechselwirkung und Elektrostatik Wir werden unsere Untersuchungen in enger Kooperation mit korrespondierenden Experimenten zum Quantentransport in 2D und 3D topologischen Isolatoren durchführen.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1666: Topologische Isolatoren: Materialien - grundlegende Eigenschaften - Strukturen für Bauelemente
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Cosimo Gorini