Optimierung der Grenzfläche zwischen topologischen Isolatoren und Supraleitern im Hinblick auf die lokale Detektion von Majorana Zuständen

• Antragsteller: Professor Dr. Markus Morgenstern
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2022
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237668014

Das Projekt beabsichtigt geeignete Grenzflächen zwischen topologischen Isolatoren (TIs) und s-Wellen-Supraleitern (SLs) herzustellen, die es erlauben Majorana Anregungen (MAs) in den Vortices des Grenzflächensupraleiters eindeutig nachzuweisen. Das Ziel beinhaltet drei zentrale Herausforderungen. Erstens muss der Dirac-Punkt des TI sehr genau am Ferminiveau EF der Grenzfläche liegen, um die die MAs schützende Anregungslücke zu maximieren. In der ersten Projektphase haben wir hierzu zwei Methoden etabliert, indem wir einerseits die Stoichiometrie des TI gezielt eingestellt haben und andereseits einen p-n-Übergang variabler Dicke von zwei TIs erstellt haben. Zweitens muss die Signatur der MAs von den Caroli-de Gennes-Matricon Zuständen des SL getrennt werden, was wir durch Löcher in der SL-Schicht erreichen wollen, die dann die Vortices beinhalten. Dies hat den zusätzlichen Vorteil, das mehrere Vortices in einem Loch eingefangen sein können, so dass das MASignal bei einer geraden Anzahl von Vortices verschwindet. Um die Löcher im SL zu präparieren haben wir einen Ultrahochvakuum- Masken-Positionierer entwickelt, der Strukturen mit Präzision von ~100 nm auf der Probenoberfläche erlaubt. Drittens muss die MASignatur mit Hilfe der Rastertunnelspektroskopie (RTS) detektiert werden. Hierzu haben wir RTS bis hinab zu 370 mK in UHV und BFeld mit einer Energieauflösung von 0,1 meV und einem Spannungsrauschen von unterhalb 0.02 mV etabliert, d.h. die notwendigen Voraussetzungen geschaffen. Neben diesen Ergebnissen, wurde ein sich aus Diskussionen innerhalb des Schwerpunktprogramms ergebendes Projekt erfolgreich durchgeführt, nämlich der erste Nachweis topologischer Eigenschaften eines schwachen topologischen Isolators (STI), namentlich die Detektion der Kantenzustände an den Stufenkanten der dunklen Seite von Bi14Rh3I9. Außerdem haben wir einen weiteren STI mit BiTe identifiziert. Im zweiten Förderzeitraum ist das erste Ziel die Deposition des geeigneten SL beginnend mit FeSe, das außergewöhnlich hohe Sprungtemperaturen als Monolage auf SrTiO3 (110 K) oder BaTiO3 (70 K) oder als Multilage nach adäquater n-Dotierung (50 K) zeigt. Da nicht absehbar ist, ob diese Eigenschaften auf ein BiSbTeSe Substrat übertragbar sind, werden alternativ konventionellere SLs wie NbSe2, Nb oder Pb verwandt. Zweitens werden wir mit Hilfe des Masken-Positionierers die Erzeugung von Lochstrukturen auf Substraten unabhängig von TI und SL optimieren. Schließlich werden wir Lochstrukturen von SLs auf TIs präparieren und die entstehenden MAs im Detail mittels STS bei Variation von BFeld, Temperatur, lokalem chemischem Potenzial, Abstand zwischen den Löchern und möglicherweise Materialkombination untersuchen. Die Masken-Positionierer-Technik ist auch für STIs einsetzbar, die am Ende proximity-induzierter supraleitender Kantenzustände MAs zeigen sollten.

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