» Topologische Isolatoren | II. Physikalisches Institut B

Topologische Isolatoren haben Oberflächenzustände, die durch die Symmetrie des isolierenden Volumens geschützt sind, also nicht durch lokale Defekte an der Oberfläche zerstört werden können. Wir untersuchen schwache topologische Isolatoren, die einen leitfähigen Randzustand an der Oberfläche aufweisen. Zusätzlich untersuchen wir, ob Phasenwechselmaterialien, die auf der ns-Skala zwischen kristallin und amorph schaltbar sind, in der kristallinen Phase auch topologische Isolatoren sind. Außerdem präparieren wir Grenzflächen, die möglicherweise Majorana–Fermionen (Wikipedia) beinhalten. Ein enger Zusammenhang besteht zu den Untersuchungen an Quanten-Hall-Systemen, die ebenfalls topologisch geschützte Zustände aufweisen.

Zentrales Ziel ist die Abbildung topologischer Eigenschaften auf der lokalen Skala.

Methoden

Winkelaufgelöste Photoemission (ARPES) mit Spinauflösung
Rastertunnelmikroskopie (STM) und -spektroskopie (STS)

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Sub-Nanometer breite Elektronenkanäle (STS/ARPES)

a) STM Aufnahme der 2D TI Oberfläche mit dazugehöriger Stufenkante. b) Bild der lokalen Zustandsdichte (dI/dV) des gleichen Bereiches zeigt einen kontinuierlichen Elektronenkanal an der Stufenkante. c) Lokale dI/dV(V) Spektren von unterschiedlichen Stellen der Probe (Stelle durch entsprechende Farbe in (b) markiert). Randzustand sichtbar in der topologischen Bandlücke der 2D TI Lage.

Mittels Rastertunnelspektroskopie haben wir erstmals toplogische Eigenschaften so genannter schwacher topologischer Isolatoren nachgewiesen. Dies sind rückstreuungsfreie Elektronenkanäle (nur 0.8 nm breit) die an allen Stufenkanten der Spaltfläche von Bi₁₄Rh₃I₉ auftreten. Der erste schwache topologische Isolator Bi₁₄Rh₃I₉ besteht aus gestapelten, graphenartigen 2D topologischen Isolator (TI) Schichten. Kombiniert man die Schichten zu Paaren (Bi₁₃Pt₃I₇), so verschwinden die Kanäle, wie von der Theorie vorhergesagt.

a) Gestapelte dI/dV Bilder der 2D TI Lage für Energien innerhalb der topologischen Bandlücke. Randkanal ist im ganzen Energiebereich der Bandlücke sichtbar. b) AFM Bild der Bi14Rh3I9 Oberfläche mit eingeritzten BiRhI Buchstaben. c) Gestapelte dI/dV Bilder der 2D TI Lage von Bi₁₃Pt₃I₇ für Energien innerhalb der beiden trivialen Bandlücken. Kein Randkanal sichtbar. Gleiche Kontrast wie in (a)

Zugehörige Publikation

C. Pauly, B. Rasche, K. Koepernik, M. Liebmann, M. Pratzer, M. Richter, J. Kellner, M. Eschbach, B. Kaufmann, L. Plucinski, C. M. Schneider, M. Ruck, J. van den Brink, and M. Morgenstern Subnanometre-wide electron channels protected by topology Nat Phys 11, 338-343 (2015); doi:10.1038/nphys3264
[BibTeX] [Download PDF]

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author = {Pauly, Christian and Rasche, Bertold and Koepernik, Klaus and Liebmann, Marcus and Pratzer, Marco and Richter, Manuel and Kellner, Jens and Eschbach, Markus and Kaufmann, Bernhard and Plucinski, Lukasz and Schneider, Claus M. and Ruck, Michael and van den Brink, Jeroen and Morgenstern, Markus},
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Topologische Bandinversion des Phasenwechselmaterials Ge₂Sb₂Te₅ (STM/STS/ARPES)

Links: Zweite Ableitung (d²I/dE²) eines ARPES-Spektrums in Γ-K Richtung. Das Valenzbandmaximum liegt bei der Fermi-Energie in einem Abstand von 0.15Å-1 vom Γ-Punkt. Rechts: ARPES-Intensität in der k||-Ebene bei der Fermi-Energie. Photonenenergie: 22eV.

Die ternäre Verbindung Ge₂Sb₂Te₅ gehört zu den Phasenwechselmaterialien, die beim Übergang von der isolierenden, amorphen in eine metastabile kubische Phase ihren elektrischen Widerstand um mehrere Größenordnungen ändern. Viele dieser Materialien sind entlang der pseudobinären Verbindungslinie zwischen GeTe und dem topologischen Isolator Sb₂Te₃ zu finden. Ge₂Sb₂Te₅ wird als Speichermedium in DVDs und in RAM-Bausteinen kommerziell genutzt. Mit Hilfe von winkelaufgelöster Photoemission haben wir gezeigt, dass die Bandstruktur von epitaktisch auf Si(111) gewachsenem Ge₂Sb₂Te₅ in der metastabilen Phase ein Minimum des Valenzbandes am Γ-Punkt aufweist. Ein Vergleich mit Dichtefunktional-Rechnungen deutet auf eine topologisch nicht-triviale Phase hin. Die Kombination aus Phasenwechselmaterial und topologischem Isolator eröffnet die Perspektive eines im Nanosekunden-Bereich schaltbaren topologischen Isolators.

Überlagerung von ARPES-Spektrem mit Dichtefunktional-Rechnungen der metastabilen kubischen Phase. Volumenbänder sind als helle Linien dargestellt, Zustände aus der Berechnung eines dünnen Films als Kreise. Die Ausdehnung der Zustände ins Vakuum wird angezeigt durch die Größe der Kreise.

Links: Tunnelspektroskopie mit Valenz- und Leitungsbandkante. Die Fermi-Energie liegt an der Oberkante des Valenzbandes. Rechts: atomar aufgelöstes Bild mit Kontrastvariationen durch tieferliegende Defekte. Die ternäre Verbindung Ge₂Sb₂Te₅ gehört zu den Phasenwechselmaterialien, die beim Übergang von der isolierenden, amorphen in eine metastabile kubische Phase ihren elektrischen Widerstand um mehrere Größenordnungen ändern. Viele dieser Materialien sind entlang der pseudobinären Verbindungslinie zwischen GeTe und dem topologischen Isolator Sb₂Te₃ zu finden. Ge₂Sb₂Te₅ wird als Speichermedium in DVDs und in RAM-Bausteinen kommerziell genutzt. Mit Hilfe von winkelaufgelöster Photoemission haben wir gezeigt, dass die Bandstruktur von epitaktisch auf Si(111) gewachsenem Ge₂Sb₂Te₅ in der metastabilen Phase ein Minimum des Valenzbandes am Γ-Punkt aufweist. Ein Vergleich mit Dichtefunktional-Rechnungen deutet auf eine topologisch nicht-triviale Phase hin. Die Kombination aus Phasenwechselmaterial und topologischem Isolator eröffnet die Perspektive eines im Nanosekunden-Bereich schaltbaren topologischen Isolators.

Zugehörige Publikation

C. Pauly, M. Liebmann, A. Giussani, J. Kellner, S. Just, J. Sánchez-Barriga, E. Rienks, O. Rader, R. Calarco, G. Bihlmayer, and M. Morgenstern Evidence for topological band inversion of the phase change material Ge2Sb2Te5 Applied Physics Letters 103, 243109 (2013); doi:10.1063/1.4847715
[BibTeX] [Abstract] [Download PDF]

We present an angle-resolved photoemission study of a ternary phase change material, namely Ge 2Sb2Te5, epitaxially grown on Si(111) in the metastable cubic phase. The observed upper bulk valence band shows a minimum at being 0.3eV below the Fermi level E F and a circular Fermi contour around with a dispersing diameter of 0.27–0.36Å-1. This is in agreement with density functional theory calculations of the Petrov stacking sequence in the cubic phase which exhibits a topological surface state. The topologically trivial cubic Kooi-De Hosson stacking shows a valence band maximum at G in line with all previous calculations of the hexagonal stable phase exhibiting the valence band maximum at G for a trivial topological invariant and away from G for non-trivial . Scanning tunneling spectroscopy exhibits a band gap of 0.4eV around E F. G ¯ G ¯ Z 2 ? 0 ? 0

@article{:/content/aip/journal/apl/103/24/10.1063/1.4847715,
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author = {Pauly, Christian and Liebmann, Marcus and Giussani, Alessandro and Kellner, Jens and Just, Sven and Sánchez-Barriga, Jaime and Rienks, Emile and Rader, Oliver and Calarco, Raffaella and Bihlmayer, Gustav and Morgenstern, Markus},
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Spinpolarisierte topologische Oberflächenzustände auf Sb₂Te₃(0001) (ARPES/STM/STS)

Links: ARPES-Spektrum des unteren Dirac-Kegels entlang der K-Γ-K Richtung. Photonenenergie: 55eV. Spinpolarisierte Messungen der Dirac-Kegel ergaben eine Spinpolarisation von 85%. Rechts: Dichtefunktional-Rechnungen mit rot/blau markiertem Dirac-Kegel bei EF, der mit dem oberen Valenzband überlappt, und energetisch tiefer liegenden Rashba-aufgespaltenen Oberflächenbändern. Volumen-Zustände sind als durchgezogene Linien und Zustände einer Dünnfilm-Rechnung als Symbole gekennzeichnet. Deren Farbe und Größe stehen für Richtung und Stärke der Spinpolarisation.

Mittels spin- und winkelaufgelöster Photoemission an im Ultrahochvakuum gespaltenen Sb₂Te₃-Einkristallen und Vergleich mit Dichte-Funktional-Rechnungen wurden zwei topologische Oberflächenzustände nachgewiesen: ein spinpolarisierter Dirac-Kegel mit Kreuzungspunkt am Fermi-Niveau und ein Rashba-aufgespaltenes Band mit einem spinentarteten Minimum am Γ-Punkt, dessen zwei Spinkomponenten jedoch für höhere k-Werte in zwei verschiedene Volumenbänder dispergieren. Letzteres ist durch eine Spin-Bahn-induzierte Bandlücke im Innern der Brillouinzone bedingt (Argument von Pendry und Gurman, 1975, Link: dx.doi.org/10.1016/0039-6028(75)90330-1).

Links: ARPES-Spektrum des Rashba-aufgespaltenen Oberflächenzustands (Intensität invertiert). Photonenenergie: 22eV. Rechts: Energiespektren mit Spinauflösung bei den links gekennzeichneten k-Werten zeigen die Spinaufspaltung des Rashba-Bandes.

Links: STM-Aufnahme einer im Ultrahochvakuum gespaltenen Sb2Te3-Einkristall-Oberfläche. Das Linienprofil zeigt einen Schnitt über die Stufenkante von der Höhe einer Quintupellage. Inset: atomar aufgelöstes Bild mit einigen typischen Defektstrukturen. Rechts: Tunnelspektroskopie mit Valenzband (VB) und Leitungsband (CB). Die energetische Lage des Dirac-Kegels ist ebenfalls markiert.

Zugehörige Publikation

C. Pauly, G. Bihlmayer, M. Liebmann, M. Grob, A. Georgi, D. Subramaniam, M. R. Scholz, J. Sánchez-Barriga, A. Varykhalov, S. Blügel, O. Rader, and M. Morgenstern Probing two topological surface bands of Sb ${}_{2}$ Te ${}_{3}$ by spin-polarized photoemission spectroscopy Phys. Rev. B 86, 235106 (2012); doi:10.1103/PhysRevB.86.235106
[BibTeX] [Download PDF]

@article{PhysRevB.86.235106,
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author = {Pauly, C. and Bihlmayer, G. and Liebmann, M. and Grob, M. and Georgi, A. and Subramaniam, D. and Scholz, M. R. and S\'anchez-Barriga, J. and Varykhalov, A. and Bl\"ugel, S. and Rader, O. and Morgenstern, M.},
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Landau-Niveau-Spektroskopie des topologischen Oberflächenzustandes von Sb₂Te₃ (STM/STS)

a) STM Übersichtsbild von Sb2Te3 mit entsprechendem dI/dV(V) Spektrum bei Bz = 0 T im Einsatz. b) Serie von dI/dV(V) Spektren für Bz = 0 bis 7 T mit Landau Niveaus. Spektren sind vertikal verschoben. c) Energien der Landau Niveaus für Bz = 3 bis 7 T aufgetragen gegen sgn(n)*(nB)1/2. Fermi-Geschwindigkeit v_F wurde aus dem linearen Fit (gestrichelte Linie) bestimmt.

Mittels Rastertunnelspektroskopie bei unterschiedlichen Magnetfeldstärken (B_z = 3-7 T) wurden Landau Niveaus an der Oberfläche des topologischen Isolators Sb₂Te₃ gemessen. Durch die lineare Abhängigkeit der Landau Niveau Energien mit der Wurzel des angelegten Magnetfeldes (B)1/2 konnte der Dirac Fermion Charakter des topologischen Zustandes nachgewiesen werden genauso wie die Magnetfeld-Unabhängigkeit des nullten Landau Niveaus am Dirac Punkt. Unterschiedliche Anzahl und Art der Defekte führen zu lokalen Potentialfluktuationen die in den Landau level Spektren sichtbar werden.

a) STM Aufnahme zeigt typische Defektarten an der Sb₂Te₃ Oberfläche. b) Zoom in den markierten Bereich von (a) mit Nahaufnahme der vier unterschiedlichen Defekttypen (siehe entsprechende Markierung).

Zugehörige Publikation

C. Pauly, C. Saunus, M. Liebmann, and M. Morgenstern Spatially resolved Landau level spectroscopy of the topological Dirac cone of bulk-type Sb2Te3(0001): Potential fluctuations and quasiparticle lifetime Phys. Rev. B 92, 85140 (2015); doi:10.1103/PhysRevB.92.085140
[BibTeX] [Download PDF]

@article{PhysRevB.92.085140,
title = {Spatially resolved Landau level spectroscopy of the topological Dirac cone of bulk-type Sb2Te3(0001): Potential fluctuations and quasiparticle lifetime},
author = {Pauly, C. and Saunus, C. and Liebmann, M. and Morgenstern, M.},
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year = {2015},
month = {Aug},
publisher = {American Physical Society},
doi = {10.1103/PhysRevB.92.085140},
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Anpassen der Fermi-Energie an den Dirac-Punkt im ternären topologischen Isolator (Bi_1-xSb_x)₂Te₃ (ARPES)

Majorana Anregungen an der Grenzfläche Supraleiter/topologischer Isolator (STS)

II. Physikalisches Institut B Fachbereich Physik