Topologische Oberflächensupraleitung im Weyl-Halbmetall t-PtBi2

• Antragsteller: Professor Dr. Bernd Büchner; Professor Dr. Christian Hemker-Heß
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2025
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 566479091

Topologische Supraleitung impliziert eine Vielzahl neuartiger physikalischer Effekte. Insbesondere an Oberflächen und Kanten werden exotische Zustände erwartet. Darunter fallen auch sogenannte Majorana-Fermionen, denen eine besondere Bedeutung in neuen Konzepten für das Quantum-Computing zugeschrieben wird. Topologische Supraleitung ist selten und bisherige Experimente betreffen in der Regel komplexe Materialsysteme bei Sub-Kelvin-Temperaturen. In diesem Projekt wollen wir auf jüngsten experimentellen Ergebnissen am Weyl-Halbmetall t-PtBi2 (t=trigonal) aufbauen, die eine ungewöhnliche Oberflächensupraleitung bei Temperaturen deutlich oberhalb 5K sowie Weyl-Topologie belegen. t-PtBi2 ist somit ein vielversprechender Kandidat für intrinsische topologische Supraleitung und dies bei höheren Temperaturen als bei bislang betrachteten Systemen. Gleichzeitig sind viele Aspekte der Oberflächensupraleitung und auch der Weyl-Fermiologie ungeklärt. Ziel dieses Projekts ist es daher, die Natur der Supraleitung und der topologischen Elektronen in t-PtBi2 aufzuklären sowie deren Entwicklung und gegenseitige Wechselwirkung unter dem Einfluss von Dotierung zu verstehen. Wir erwarten, dass dabei über die Realisierung von intrinsischer topologischer Supraleitung in t-PtBi2 abschließend befunden werden kann. In unserem Vorhaben möchten wir t-PtBi2 in reiner und dotierter Form einkristallin herstellen und die supraleitenden und topologischen Eigenschaften der Elektronen untersuchen. Methodisch richtet sich besonderes Augenmerk nach allgemeiner Charakterisierung (u.a. durch elektrischen Transport, magnetischer Suszeptibilität, spezifische Wärmekapazität) auf Messungen des Nernst-Effekts und der Rastertunnelmikroskopie/-spektroskopie (STM/STS). Beide diese Sonden sind sowohl sensitiv auf supraleitende als auch topologische Eigenschaften der Elektronen im Volumen bzw. auf der Oberfläche. Konkret möchten wir mittels des Nernst-Effekts supraleitende Fluktuationen detektieren und durch Identifizierung des anomalen Nernst-Effekts (ANE) die Weyl-Fermiologie der Proben studieren. STM/STS soll zur Messung der lokalen elektronischen Zustandsdichte an der Oberfläche von t-PtBi2 genutzt werden. Wir erwarten davon einerseits Informationen über die Energielücke der Supraleitung, inklusive der möglichen Signatur von Majorana-Moden innerhalb der Energielücke. Andererseits möchten wir die Quasiteilcheninterferenz der Oberflächenelektronen ausmessen, um damit die topologischen Eigenschaften der Elektronen, insbesondere die der Fermi-Bögen, detektieren und besser verstehen zu können. Dotierungsexperimente dienen vor allem dazu, die Kristallstruktur des Materials gezielt dahingehend zu manipulieren, dass die gebrochene Inversionssysmmetrie sowie die Weyl-Fermiologie verschwinden und gleichzeitig Volumensupraleitung begünstigt wird. Wir erwarten daraus einschlägige Einblicke in das Wechselspiel zwischen Supraleitung und Topologie der Elektronen.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen