Geschützter helikaler Transport in topologischen Isolatoren und magnetisch dotierten Quantendrähten

• Antragsteller: Dr. Oleg Yevtushenko
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2016 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 285941391

• Erstellungsjahr: 2024

Zusammenfassung der Projektergebnisse

Quantentechnologien versprechen enorme Fortschritte auf den Gebieten der Elektronik, Computertechnik und Kommunikation. Ihre fundamentalen Bausteine sind geschützte Quantenzustände, die einen fehlerfreien Betrieb von Quantengeräten und ihren Nano-Elementen ermöglichen können. Prominente Vertreter dieser Familie sind helikale Zustände. Sie wurden experimentell an den Kanten sogenannter topologischer Isolatoren (TI) entdeckt, das sind Isolatoren, deren Bulk in einem topologisch nichttrivialen Zustand ist (1). Die Zeitumkehrsymmetrie (TRS) und die nichttriviale Topologie des TI-Bulks garantieren die Helizität (lock-in Beziehung der Spin und Ausbreitungsrichtung) der lückenlosen eindimensionalen (1D) Randmoden. Die Helizität verbietet elastische Einteilchen-Rückstreuung durch ein spinloses Potential. Somit unterliegen die helikalen Moden zumindest in Abwesenheit von Wechselwirkungen nicht den Auswirkungen von Materialunvollkommenheiten, wie z. B. der Lokalisierung. In der Realität ist der Schutz der helikalen Zustände in TI-basierten Proben nicht perfekt robust. Das Verständnis möglicher Mechanismen, die zu einer Unterdrückung des ballistischen helikalen Edgetransports in TIs führen können, hat große Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Trotz enormer Anstrengungen auf diesem Forschungsgebiet fehlt immernoch eine vollständig konsistente Theorie, die die Unterdrückung des helikalen Transports in allen experimentellen Aufbauten erklärt. Ein solche Theorie bleibt ein aktuelles Thema. Daher ist es notwendig, nach alternativen Plattformen zu suchen, auf denen geschützte Zustände, einschließlich der helikalen, realisiert werden können. Emergente Helizität kann in 1D-Drähten mit verschiedenen Wechselwirkungen entstehen (2). Eine Herausforderung besteht darin, eine flexible Möglichkeit zu finden, Plattformen zu entwickeln, die ballistischen Transport in langen Proben ermöglichen würden. Das Projekt hat sich mit beiden oben genannten Aspekten der Theorie der helikalen niederdimensionalen Systeme befasst, nämlich: 1) Robustheit des helikalen Schutzes an den Kanten des TI, und 2) emergente Helizität und damit verbundener Schutz in magnetisch dotierten Drähten. Letztere werden durch das wegweisende Modell der Kondo- oder Kondo-Heisenberg-Gitter (3) beschrieben. Es beinhaltet mobile Elektronen, die mit lokalisierten magnetischen Momenten (Kondo-Spins) interagieren. Abgesehen von diesen zentralen Themen wurden mehrere hoch nichttriviale Phasen und Phasenübergänge in den magnetisch dotierten Kanten und 1D-Drähten gefunden. Diese umfassten ein chirales Gitter-Supersolid, ein chirales Spin-liquid und einen aussergewöhnlichen Übergang zwischen Kondo- und indirekt Austauschdominierten Phasen.

Projektbezogene Publikationen (Auswahl)

• Quantum Phase Transition and Protected Ideal Transport in a Kondo Chain. Physical Review Letters, 115(21).
  Tsvelik, A. M. & Yevtushenko, O. M.
  
• Transport in helical Luttinger liquid with Kondo impurities. EPL (Europhysics Letters), 112(5), 57003.
  Yevtushenko, Oleg M.; Wugalter, Ari; Yudson, Vladimir I. & Altshuler, Boris L.
  
• Low energy properties of the Kondo chain in the RKKY regime. New Journal of Physics, 18(5), 053004.
  Schimmel, D. H.; Tsvelik, A. M. & Yevtushenko, O. M.
  
• Chiral Spin Order in Kondo-Heisenberg Systems. Physical Review Letters, 119(24).
  Tsvelik, A. M. & Yevtushenko, O. M.
  
• Chiral lattice supersolid on edges of quantum spin Hall samples. Physical Review B, 98(8).
  Yevtushenko, Oleg M. & Tsvelik, A. M.
  
• Kondo Impurities Coupled to a Helical Luttinger Liquid: RKKY-Kondo Physics Revisited. Physical Review Letters, 120(14).
  Yevtushenko, Oleg M. & Yudson, Vladimir I.
  
• Physics of arbitrarily doped Kondo lattices: From a commensurate insulator to a heavy Luttinger liquid and a protected helical metal. Physical Review B, 100(16).
  Tsvelik, A. M. & Yevtushenko, O. M.
  
• Protected helical transport in magnetically doped quantum wires: Beyond the one-dimensional paradigm. Physical Review B, 102(16).
  Stäbler, Florian; Tsvelik, Alexei M. & Yevtushenko, Oleg M.
  
• Transport in magnetically doped one-dimensional wires: can the helical protection emerge without the global helicity?. New Journal of Physics, 22(5), 053013.
  Tsvelik, A. M. & Yevtushenko, O. M.
  
• Suppression of ballistic helical transport by isotropic dynamical magnetic impurities. Physical Review B, 104(19).
  Yevtushenko, Oleg M. & Yudson, Vladimir I.
  
• Protection of edge transport in quantum spin Hall samples: spin-symmetry based general approach and examples. New Journal of Physics, 24(2), 023040.
  Yevtushenko, Oleg M. & Yudson, Vladimir I.
  
• RKKY to Kondo crossover in helical edge of a topological insulator. Physical Review Research, 5(3).
  Ferrer, Pol Alonso-Cuevillas; Yevtushenko, Oleg M. & Weichselbaum, Andreas