Topologische IV-VI Halbleiter-Heterostrukturen

Topologische Isolatoren sind eine neuartige Klasse von Materialien, die in ihrem Volumen isolierend aber an der Oberfläche elektrisch leitend sind. Die Leitung der elektrischen Ladungen an der Oberfläche verhält sich dabei wie die relativistische Ausbreitung von Licht und weist daher besondere Eigenschaften im Vergleich zu konventionellen elektrischen Leitern auf. Topologische kristalline Isolatoren sind eine Unterklasse von diesen neuartigen Materialien in denen der relativistische Charakter der Oberflächenelektronen durch Kristallsymmetrien bestimmt ist. Ziel des gemeinsamen Forschungsprojektes an der Johannes Kepler Universität in Linz und der Ecole Normale Supérieure in Paris ist es, die besonderen Eigenschaften dieser Oberflächenelektronen zu untersuchen und Methoden zu entwickeln diese zu beeinflussen und kontrollieren, wie es für praktische elektronische Bauelemente notwendig ist. Dies soll durch Manipulation der chemischen Zusammensetzung, durch mechanische Deformation, sowie durch Anlegen von elektrischen und magnetischen Feldern erreicht werden, wodurch neuartige funktionelle elektronische Bauelemente realisiert werden können. Das Forschungsprojekt kombiniert die Expertise in der Herstellung von ultradünnen Schichtstrukturen an der Universität Linz und von optischen und elektrischen Methoden an Ecole Normale Supérieure in Paris um die technologischen Voraussetzungen für mögliche Anwendungen zu schaffen. Dazu werden Verfahren für die Herstellung von Nanoschichten und Heterostrukturen mit atomarer Präzision entwickelt und die besonderen elektronischen Eigenschaften untersucht um Geschwindigkeit, Masse, Energie und Spin der Elektronen, insbesondere die Veränderungen deren relativistischen Charakters als Funktion der Materialzusammensetzung zu bestimmen. Dies erlaubt ein grundlegendes Verständnis der Ursachen der besonderen topologischen Zustände zu entwickeln und welche fundamentalen physikalischen Mechanismen dabei wirksam werden. Der zweite Teil des Projektes zielt darauf ab Methoden zu entwickelt die Kristallsymmetrie und damit die Eigenschaften der Oberflächenelektronen zu manipulieren, z.B. durch Induzieren von Gitterverzerrungen mit piezoelektrischen Elementen , durch Anlegen von elektrischen Feldern oder durch Wechselwirkungen mit magnetischen Schichten. Auf diese Art und Weise wird eine Plattform für die Untersuchung von relativistischen Phänomenen in Festkörpern geschaffen mit denen neuartige exotische Effekte realisiert werden können.

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien, die in ihrem Inneren isolierend aber an der Oberfläche elektrisch leitend sind. Dabei verhalten sich die leitenden Elektronen an der der Oberfläche wie relativistische Teilchen mit und weisen daher besondere Eigenschaften auf wie spontane Spin-Polarisation und eine lineare Energie-Impuls Relation. In diesem internationalen Forschungsprojekt der Johannes Kepler Universität in Linz und der Ecole Normale Supérieure in Paris wurden die besonderen Eigenschaften dieser Oberflächenelektronen untersucht und neue Methoden entwickelt diese zu kontrollieren, wie es für praktische quanten-elektronische Bauelemente notwendig ist. Hauptaugenmerk war dabei auf sogenannte topologische "kristalline" Isolatoren die eine besonders interessante Unterklasse von topologischen Materialien bilden in denen der relativistische Charakter der Oberflächenelektronen durch Kristallsymmetrien beeinflusst werden kann. Dies wurde durch Kontrolle der chemischen Zusammensetzung, durch mechanische Deformation, sowie durch Anlegen von elektrischen und magnetischen Feldern erreicht, was durch detaillierte Experimente im ultra-hoch Vakuum an europäischen Großforschungseinrichtungen wie Synchrotrons, sowie durch elektrische und optische Untersuchungen bei tiefen Temperaturen und hohen Magnetfeldern gezeigt werden konnte. Auf diese Art und Weise wurde eine effektive Plattform für die Untersuchung von relativistischen Phänomenen in Festkörpern geschaffen mit denen neuartige exotische Effekte untersucht und realisiert werden können.