Terahertz-Spektroskopie des topologischen Isolators HgTe

Topologische Isolatoren sind neuartige Materialien mit vielen ungewöhnlichen Eigenschaften wie z.B. geschützten Leitungszuständen an der Oberfläche. Mehrere weitere beispiellose elektrodynamische Effekte wurden für die topologischen Isolatoren vorhergesagt, u. A. kolossale Kerr Drehung oder universaler Faradayscher Effekt. Diese Vorhersagen sollen im Rahmen des vorliegenden Projektes mittels einzigartiger magneto-optischer Spektroskopie bei infraroten und Terahertz-Frequenzen experimentell überprüft werden. Ziel ist es, mithilfe transparenter Elektroden die Elektrodynamik topologischer Isolatoren in verschiedenen Ladungszuständen zu untersuchen: Bei Elektronen- oder Löcher-Leitung und im topologisch nichttrivialen Dirac-Zustand. Ferner soll in diesen Experimenten ein elektrisch kontrollierter Polarisations-Rotator für die Infrarot- und Terahertz-Strahlung entwickelt und optimiert werden.

Die topologischen Isolatoren gehören zu einer neuen Materialklasse, mit Materialien, die isolierend in Inneren und leitend an den Oberflächen sind. Die meistverprechende Eigenschaft dieser Materialien ist der hohe Grad der Spinpolarisation, das heißt, dass die Richtung des Elektronenspins mit der Richtung der Geschwindigkeit verbunden ist. Diese Materialien können eine Grundlage für die neuartige Spin-basierte Elemente in der Spintronik bereitstellen. Einer der Vorhersagen für spinpolarisierte Oberflächen ist, dass die Lichtdrehung beim durchdringen dieser Materialien nur bestimmte quantisierte Werte annehmen kann. Genauer gesagt, kann der Drehwinkel nur um das mehrfache der Feinstrukturkonstante a = 1/137 geändert werden. Diese Konstante ist vom untersuchenden Material unabhängig, sie ist für unseres Universum grundlegend. Die Hauptergebnisse dieses Projekts, der experimentelle Nachweis der quantisierten Lichtdrehung an den topologischen Oberflächen, wurde an den Quecksilber Tellurid Dünnschichten, ein bestimmtes Matirial, das im Rahmen dieses Projekts untersucht wurde, gemessen. Die Tatsache, dass die gemessene Lichtdrehung vom Material unabhängig ist, kann für die metrologische Messungen der grundlegenden Konstanten benutzt werden. Allgemein, hängt die Eigenschaft eines Materials, ob es leitend, halbleitend oder isolierend ist, von den Eigenschaften der Elektronen innerhalb des Materials ab. Diese Eigenschaften der Elektronen können in der so genannten Bandstruktur zussamengefasst werden. Zusätzlich wurde innerhalb des Projekts eine spezielle Methode entwickelt, um die Bandstruktur der Materialien zu untersuchen und erfolgreich an Quecksilber Tellurid angewandt.