Niederenergietheorie der Elektron-Phonon-Streuung in topologischen Isolatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Reinhold Egger
• Fachliche Zuordnung: Theoretische Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2017 bis 2023
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 337618454

Dieses Projekt hat als Ziel, die Niederenergietheorie für Elektron-Phonon-Streuprozesse von Oberflächen-Diracfermionen mit akustischen Phononen in dreidimensionalen starken topologischen Isolatoren signifikant voranzutreiben. Diese Theorie kann konkret auf Materialien wie Bi2Se3 und Bi2Te3 angewendet werden. Wir werden verschiedene Geometrien betrachten, z.B. Nanodrähte mit zylindrischem oder rechteckigem Querschnitt, dünne Filme, und halbunendliche Proben.Das Projekt umfasst drei Unterprojekte:1) Wir planen, Elektron-Phonon-Kopplungseffekte für die Oberflächen-Diracfermionen in Nanodrähten zu studieren, die aus topologischen Isolatoren geformt sind. Insbesondere soll quantativ die effektive Elektron-Phonon-Kopplungskonstante berechnet werden. Desweiteren sollen der phononen-induzierte Beitrag zum Magneto-Widerstand, die Quasiteilchen-Lebensdauer, und die Phasenkohärenzlänge bestimmt werden. We planen, Nanodrähte mit zylindrischem wie auch mit rechteckigem Querschnitt zu studieren, wobei Variationen des Magnetfeldes und der Fermienergie explizit berücksichtigt werden sollen.2) Intrinsische Begrenzungen des spin-abhängigen ballistischen Oberflächentransportes in starken topologischen Isolatoren entstehen bei endlichen Temperaturen durch die Kopplung von Elektronen an akustische Phononen. Wir planen, diese Begrenzungen in halbunendlichen Proben und in dünnen Filmen zu untersuchen. Dazu sollen die Spinrelaxationsrate und der spinabhängige Widerstand als Funktion der Temperatur, des Magnetfeldes sowie des Dotierungsniveaus berechnet werden.3) Electron-Phonon-Streueffekte in topologischen Isolatoren wurden bisher nur fern vom Diracpunkt untersucht, d.h. für endliche Dotierung. Das Verhalten nahe am Diracpunkt erfordert eine nicht-perturbative Behandlung, die hier im Rahmen eines Funktionalintegral-Zuganges für die halbunendliche Geometrie entwickelt werden soll. Mit Hilfe der resultierenden effektiven Niederenergietheorie für Oberflächen-Diracfermionen soll die Temperatur- und Magnetfeld-Abhängigkeit des Widerstands und der Quasiteilchen-Lebensdauer studiert werden. Dabei ist zu erwarten, dass interessante Phasen, z.B. Ladungs- und/oder Spindichtewellen, oder sogar Oberflächensupraleitung auftreten können.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen