Origin and stability of highly spin polarized surface resonances
Final Report Abstract
Im Rahmen des Theorieprojektes wurden Untersuchungen zur Spinpolarisation von Oberflächenzuständen und deren Nachweis durch die winkel- und spinaufgelöste Photoemissionsspektroskopie (ARPES) durchgeführt. Alle Projektarbeiten erfolgten in enger Zusammenarbeit mit den experimentell arbeitenden Partnern H. J. Elmers, G. Schönhense und M. Kläui von der JGU Mainz sowie weiteren, ebenfalls auf diesem Gebiet renommierten Arbeitsgruppen (u.a. die von M. Donath, Th. Fauster, M. Morgenstern, O. Rader, C. Tusche, und M. Weinelt). Motiviert durch die vorausgegangenen Arbeiten zur halbmetallischen Heusler-Verbindung Co 2 MnSi, für die eine Spinpolarisation von nahezu 100% nachgewiesen und durch eine Oberflächenresonanz erklärt werden konnte, lag das Hauptaugenmerk auf Heusler-Verbindungen. Für die halb-Heusler-Verbindung YPtBi konnte, die für topologische Isolatoren typische Bandinversion, gezeigt und ein helikaler spin-locked Dirac-Zustand identifiziert werden. Der lineare Verlauf der spinpolarisierten Dispersionszweige an der Fermi-Kante konnte ebenfalls topologisch geschützten Oberflächenzuständen zugeschrieben werden. Die frühere Untersuchung an Co 2 MnSi wurde durch Arbeiten im weichen Röntgenbereich fortgesetzt, wodurch die Informationstiefe des Experiments erhöht wurde. Die hohe, im Zentrum der Brillouin-Zone beobachtete Intensität, konnte durch eine Oberflächenresonanz von Co 2 MnSi(001) erklärt werden. Die früher gegebene Erklärung für die nahezu 100%ige Spin polarisation konnte damit weiter gestützt werden. Die Spinpolarisation ist eine der zentralen Eigenschaften von soge nannten Rashba-Zuständen. Mit ferroelektrischem α-GeTe(111) wurde ein Material untersucht, das diese Zustände sowohl für die Oberfläche als auch für den Bulk zeigt. Im Einklang mit Vor hersagen zeigte sich eine entgegengesetzte Spinhelizität für die inneren und äußeren Rashba-Bänder mit einer Spinpolarisation, die für das äußere Band etwa zweimal größer als für das innere Band ist. Auch hierbei wurde durch Arbeiten im weichen Röntgenbereich eine Trennung von Bulk- und Ober flächenzuständen erreicht. Diese Vorgehensweise ermöglichte es, die Rashba-Spinaufspaltung in α-GeTe(111) zuverlässig zu ermitteln, wobei mit 4.2 eVÅ für den Rashba-Parameter R der bislang größte Wert gefunden wurde. Arbeiten zu Bi 2 Se 3 , als Prototyp eines Topologischen Isolators (TI) mittels winkel- und spinaufgelöster inverser Photoemission (IPE), zielten auf Zustände oberhalb der Fermi-Kante ab. Dabei konnte die Spintextur der unbesetzten Bandzustände an der Oberfläche von Bi 2 Se 3 im Detail geklärt werden. In einer Photoemissionsarbeit zu Bi 2 Se 3 wurde u.a. der Frage nach einem Zusammenhang zwischen zirkularem Dichroismus und Spinpolarisation nachgegangen. Dabei zeigte sich, dass die dichroischen Spektren in erster Linie das Anregungsschema von Bi 2 Se 3 widerspiegeln. Ergänzend zu den topologischen Systemen wurden Bi-Filme auf InAs(111) untersucht. Der Vergleich zwischen Theorie und Experiment für den zirkularen Dichroismus der Spektren ließ für die Valenzbandzustände in der Nähe des Γ-Punktes auf eine ausgeprägte p-d-Hybridisierung schließen. Der starke Einfluss des Endzustandes auf den Dichroismus zeigte, dass daraus in der Regel keine Rückschlüsse auf die Spintextur topologischer Systeme gezogen werden können. Schließlich wurde ein Verfahren, das Gitterschwingungen und Spinfluktuationen bei der Berechnung von ARPES Spektren berücksichtigt, entwickelt, das auf dem alloy analogy model aufbaut. Rechnungen zur temperaturabhängigen spinaufgelösten ARPES von Fe(001) demonstrierten dessen Leistungsfähigkeit.
Publications
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Dirac cone and pseudogapped density of states in the topological Half-Heusler compound YPtBi, Phys. Rev. B Rapid Commun. 94, 161108(R) (2016)
A. Kronenberg, J. Braun, J. Minár, H. J. Elmers, D. Kutnyakhov, A. V. Zaporozhchenko, R. Wallauer, S. Chernov, K. Medjanik, Schönhense, M. Kläui, S. Chadov, H. Ebert, and M. Jourdan
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Disentangling bulk and surface Rashba effects in ferroelectric α-GeTe, Phys. Rev. B 94, 205111 (2016)
J. Krempaský, H. Volfová, S. Muff, N. Pilet, G. Landolt, M. Radović, M. Shi, D. Kriegner, V. Holý, J. Braun, H. Ebert, F. Bisti, V. A. Rogalev, V. N. Strocov, G. Springholz, J. Minár, J. H. Dil
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Spin mapping of surface and bulk Rashba States in ferroelectric α-GeTe(111) Films, Phys. Rev. B Rapid Commun. 94, 201403(R) (2016)
H. J. Elmers, R. Wallauer, M. Liebmann, J. Kellner, M. Morgenstern, R. N. Wang, J. E. Boschker, R. Calarco, J. Sánchez-Barriga, O. Rader, D. Kutnyakhov, S. V. Chernov, K. Medjanik, C. Tusche, M. Ellguth, H. Volfová, St. Borek, J. Braun, J. Minár, H. Ebert, and G. Schönhense
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Unraveling the Spin Structure of Unoccupied States in Bi 2 Se 3. Phys. Rev. B 95, 115401 (2017)
Ch. Datzer, A. Zumbülte, J. Braun, T. Förster, A. B. Schmidt, J. Mi, B. Iverson, P. Hofmann, J. Minár, H. Ebert, P. Krüger, M. Rohlfing, and M. Donath
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Origin of spin-polarized photocurrents in the topological surface states of Bi 2 Se 3, Phys. Rev. B 98, 155406 (2018)
A. S. Ketterl, S- Otto, M. Bastian, B. Andres, C. Gahl, J. Minár, H. Ebert, J. Braun, O. E. Tereshchenko, K. A. Kokh, T. Fauster, and M. Weinelt
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Bi ultra-thin crystalline films on InAs(1 1 1) A and B substrates: a combined core-level and valence-band angle-resolved and dichroic photoemission study, New Journal of Physics, 21, 123012 (2019)
L. Nicolai, J. M. Mariot, U. Djukic, W. Wang, O. Heckmann, M. C. Richter, J. Kanski, M. Leandersson, J. Sadowski, T. Balasubramanian, I. Vobornik, J. Fujii, J. Braun, H. Ebert, J. Minár, and K. Hricovini
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Surface resonance of thin films of the Heusler half-metal Co 2 MnSi probed by soft x-ray angular resolved photoemission spectroscopy, Phys. Rev. B 99, 174432 (2019)
C. Lidig, J. Minár, J. Braun, H. Ebert, A. Gloskovskii, J. A. Krieger, V. Strocov, M. Kläui, and M. Jourdan
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One step model of photoemission at finite temperatures: spin fluctuations of Fe(001), Phys. Rev. B, 102, 035107 (2020)
J. Minár, S. Mankovsky, J. Braun, and H. Ebert
