Konstruktion und Manipulation von topologischen Isolatoren aus III-V-Heterostrukturen

• Antragsteller: Professor Dr. Sven Höfling
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 530143959

Topologische Isolatoren (TIs) sind eine neue Materialklasse, die die Eigenschaft besitzt, dass zwar ihr Volumenmaterial isolierend ist, jedoch aber Oberflächen- oder Randkanalzustände existieren, welche Strom führen können. Unter der Vielzahl der möglichen Materialien und Materialzusammensetzungen, bieten TI-Materialien auf Basis von Quantentopf-Heterostrukturen (QWs) aus III-V-Materialien, z.B. InAs/GaSb, eine beispiellose Funktionalität in Kombination mit dem etablierten Epitaxie- und Bauelementherstellungsroutinen von III-V-Halbleitern. Diese zusammengesetzten Heterostrukturen sind besonders attraktive zweidimensionale (2D) TIs, da sie ein reichhaltiges Phasendiagramm besitzen, welches durch Band- und Symmetrie-Engineering und durch das Anlegen eines externen elektrischen Felds zugänglich ist und die Modifikation ihrer Eigenschaften mit einzigartiger Flexibilität ermöglicht. Trotz vieler Untersuchungen ist jedoch eine vollständig überzeugende Demonstration von Randkanalzuständen in der topologischen isolierenden Phase in diesem Materialsystem noch immer offen. Dieses Projekt hat das Ziel, zunächst wichtige Hürden für die Beobachtung des sogenannten Quantenspin-Hall-Effekts (QSHE) in diesem Materialsystem zu überwinden, wie beispielsweise die kleine Bandlückenenergie, welche typischerweise in diesen Strukturen zu beobachten ist. Darüber hinaus wurden seit der Entdeckung von 2DTIs auch eine Vielzahl von dreidimensionalen (3D) TIs und halbmetallischen (SM) Zuständen in verschiedenen Materialsystemen identifiziert. Die Materialien, in denen diese topologischen Zustände beobachtet wurden, erlauben jedoch keine kontinuierliche Abstimmbarkeit ihrer Bandstruktur oder topologischen Eigenschaften. Durch die Kontrolle von Kristallsymmetrien und Mehrfachbandinversionen in InAs/GaSb-basierten Übergittern wird es möglich, alle bekannten topologischen Quantenzustände wie 3D-TIs, Dirac- und Weyl-SMs, aber auch sogenannte TIs höherer Ordnung (HOTIs) und SMs (HOSMs) zu erzeugen mit einem Phasendiagramm von beispielloser Vielfalt. Im Gegensatz zum Fall "niedrigerer Ordnung" sind Randzustände von HOTIs und HOSMs mindestens zwei Dimensionen kleiner als die des Systems. Das Projekt zielt daher darauf ab, eine flexible Plattform für die Untersuchung von 2Dund 3D-topologischen Zuständen basierend auf QWs und III-V-Übergittern zu schaffen und den QSHE in wachstumsoptimierten und technologischen Prozessen nachzuweisen und zu kontrollieren. Das erste Ziel ist die Realisierung eines technologischen Durchbruchs: die Steuerung des topologischen Phasenübergangs mittels Spannung in Feldeffekttransistoren. Das zweite Ziel besteht darin, die quantisierte Randkanäle in dreischichtigen QW-Strukturen zu beobachten. Das dritte Ziel besteht darin, verschiedene topologische Zustände zu validieren, die in 3D-InAs/Ga(In)Sb-Übergittern existieren, wie 3D-TIs, Dirac- und Weyl-SMs, HOTIs und HOSMs.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Frankreich
• Kooperationspartner: Dr. Benoit Jouault