Magneto-optische Terahertz-Spektroskopie von Dirac-Fermionen

Topologische Isolatoren sind Isolatoren im Volumen, sie zeigen aber topologisch geschützte leitende Zustände auf der Oberfläche. Die Elektrodynamik topologischer Isolatoren ist derzeit eines der intensivsten Forschungsgebiete der Festkörperphysik. Vor kurzem wurde die vorhergesagte universelle Faraday-Drehung in topologischen Isolatoren experimentell von einigen Gruppen beobachtet. Nach diesen Experimenten bleiben aber wichtige Fragen der Physik in topologischen Systemen offen, wie z. B. die Unmöglichkeit, das Halbquantum der Faraday-Drehung zu beobachten. Die Frage, ob dies nur ein experimentelles Problem oder eine grundsätzliche physische Begrenzung ist, bleibt rätselhaft. Darüber hinaus bleibt auch der Terahertz Quanten-Hall-Effekt in herkömmlichen zweidimensionalen Elektronengasen weitgehend unerforscht. Daher ist es in mehreren Fällen unklar, ob die beobachteten neuen Effekte für topologische Isolatoren charakteristisch sind, oder ob sie lediglich konventionellen Quanten-Hall-Effekt repräsentieren. In diesem Projekt sollen mehrere Schritte zum Verständnis der magneto-optischen Dynamik topologischer Isolatoren im Quantenregime unternommen werden. Um diese Ziele zu erreichen, werden mehrere Vergleichsversuche in konventionellen und topologischen Materialien durchgeführt. Darüber hinaus streben wir eine Verbesserung der Genauigkeit des Quanten-Hall-Standards im dynamischen Regime an.

Topologische Insulatoren sind neuartige Materialien mit viel Potential fuer Spintronics, ein Forschungsfeld, der versucht, ein Elektronenspin zusaetzlich zur Elektronenladung fuer Datenverarbeitung auch mitzubenutzen, in gegensatz zu herkommliche Computers. Duenne Schichten der Quecksilber Telluride (HgTe), die im vorliegenden Projekt untersucht waren, sind die sauberste topologische Insulatoren. Die Eigenschaft, ein topologische Insulator zu sein, haengt von der Bandstruktur des Materials ab. Der Hauptziel des Projektes war die experimentelle Bestimmung der Bandstruktur von Quecksilber-telluride duenne Schichten mit verschiedene Dicke. Die systematische Untersuchungen der vorliegenden Arbeit haben beide die Parametergrenzen und die Zusammenhaenge, die diese Parametergrenzen bestimmen, festgestellt. Die Uebergaenge zwischen Dirak Halbmetall, indirekt Halbmetall und 3D topologische Insulator waren im Experiment beobachtet und erfolgreich bei der Theorie beschrieben. Abseits des Hauptteils des Projektes, eine bessere Verstaendniss ueber die Wechselwirkung zwischen Materie und Licht wurde auch geschafft. Es wird festgestellt, dass die 2D Halbleiter plasmonische Eigenschaften bei hoehen Frequenzen zeigen, im gegensatz zu dissipative Leitfaehigkeit bei niedrige Frequenzen. Diese Ergebnisse sind schon wichtig fuer die kommenden Hochfrequentigen 5G Netzwerken.