Magnetisch dotierte topologische Isolatoren: vom Grundzustand zur Dynamik

• Antragstellerinnen / Antragsteller: Professor Dr. Hubert Ebert; Professorin Dr. Saskia F. Fischer; Professor Dr. Oliver Rader
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie ; Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 237998441

Das Projekt untersucht vorrangig den Einfluss von magnetischer Dotierung auf die Eigenschaften dreidimensionaler topologischer Isolatoren (TI). Detaillierte Information über deren elektronische Struktur wird dabei über die spin- und winkel-aufgelöste Photoemissionsspektroskopie (SARPES) erhalten. Entsprechende Pump-Probe-Experimente erlauben es das dynamische Verhalten der untersuchten Systeme auf direkte und zuverlässige Weise zu charakterisieren. Zudem werden deren Transporteigenschaften bestimmt, wobei neben der Temperaturabhängigkeit des longitudinalen und transversalen Magneto-Transports vor allem dessen räumliche Verteilung durch Variation der Probendicke ermittelt wird. Die Experimente werden durch theoretische Arbeiten im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie in Kombination mit der dynamischen Mean-Field-Theorie begleitet. Vollrelativistische Rechnungen berücksichtigen zuverlässig alle Spin-Bahn-induzierten Charakteristika der elektronischen Struktur. Dies gilt auch für dichroische Effekte in der SARPES, die mittels der Spindichtematrixformulierung des Einschrittmodells beschrieben werden. Analog dazu wird der Einfluss der Spin-Bahn-Kopplung auf den Transport berücksichtigt, wobei Kubos Lineare-Antwort-Formalismus eingesetzt wird. Nachdem sich die Projektarbeiten bislang auf Grundzustandseigenschaften beschränkten, werden der Einfluss einer endlichen Temperatur sowie dynamische Phänomene im Vordergrund stehen. Eine der zentralen Fragestellungen wird die Ermittlung magnetisch dotierter TI-Systeme sein, für die das Auftreten einer Bandlücke im Oberflächenbereich eindeutig durch die magnetische Ordnung bedingt ist. Die größte magnetisch induzierte Bandlücke, die bislang erhalten wurde, ist nur 10 meV weit; bei einer Curie-Temperatur von 10 K. Es wird erwartet, dass der Wechsel von (Bi1-xMnx)2(Se,Te)3 zu (Sb1-xVx)2Te3 den Effekt um eine Größenordnung verstärken wird. Die entsprechenden Curie-Temperaturen für den Volumen- bzw. Oberflächenbereich, die sich unterscheiden sollten, werden zudem in Abhängigkeit von der Zusammensetzung ermittelt. Bezüglich des Magneto-Transports wird die räumliche Verteilung der Leitfähigkeit sowie ihre Abhängigkeit von der magnetischen Dotierung und der Temperatur im Mittelpunkt der Arbeiten stehen. Zur Ermittlung der Spintextur und ihrer Abhängigkeit von der magnetischen Ordnung werden SARPES Messungen über- und unterhalb der Curie-Temperatur von magnetisch geordneten TI-Systemen durchgeführt. Pump-Probe-Experimente, die eine Spinmanipulation erlauben, werden durch Simulationen unterstützt um die relevanten Kanäle für die Spin- und Ladungsrelaxation zusammen mit den zugehörigen Zeitskalen zu ermitteln. Die statischen Transportmessungen werden schließlich durch die Erzeugung und Beobachtung Laser-induzierter Photoströme weitergeführt, wobei deren Abhängigkeit von der Polarisation, der Photonenenergie und der Laserintensität über den ferromagnetischen Phasenübergang hinweg verfolgt wird.

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