Wachstum, elektronische Struktur und ultraschnelle Elektronendynamik magnetischer topologischer Isolatoren

• Antragsteller: Professor Dr. Ulrich Höfer
• Fachliche Zuordnung: Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung seit 2021
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 448807091

Das Thema dieses Projektes ist die Synthese und die Charakterisierung neuartiger magnetischer topologischer Isolatoren, in denen die Wechselwirkung zwischen magnetischen Atomen und dem topologischen Oberflächenzustand eine Bandlücke am Diracpunkt des Oberflächenzustandes öffnet. Dieser Effekt könnte zu exotischen Quantenphasen führen, wie etwa dem annormalen Quantenhallzustand. Das Hauptziel dieses gemeinsamen Antrages ist die Identifizierung der hauptsächlichen Faktoren, welche für die Öffnung der Bandlücke und deren Größe verantwortlich sind. Auf diese Weise wollen wir solche magnetische topologische Isolatoren identifizieren, welche tatsächlich Isolatoren mit möglichst großer Bandlücke sind. Es werden verschiedene Klassen magnetischer Isolatoren untersucht, in denen der Magnetismus entweder durch Dotieren, durch Verwendung intrinsisch magnetischer Verbindungen oder durch die Deposition magnetischer Atome oder magnetischer Schichten induziert wird. Die Kristalle werden in Novosibirsk gewachsen und dort hinsichtlich ihrer Struktur sowie ihren magnetischen und Transporteigenschaften in Abhängigkeit der Zusammensetzung und der Temperatur untersucht. In Marburg wird die Lage des Ferminiveaus, die Größe der Bandlücke sowie die elektronische Bandstruktur der besetzten und der unbesetzten Zustände in der Nähe des Ferminiveaus mit laserbasierter winkelaufgelöster Photoelektronenspektroskopie sowie mit zeitaufgelöster Zweiphotonen Photoemission bestimmt. Die Beobachtung der inelastischen Zerfallsdynamik optisch angeregter Elektronen in Proben, welche die gewünschte elektronische Struktur aufweisen, wird es ermöglichen, den Einfluss der Streuung an magnetischen Defekten sowie der Elektronen-Phononenkopplung auf die ultraschnelle Elektronendynamik zu untersuchen. Wesentlich ist dabei, das Zusammenspiel von Volumen- und Oberflächenzuständen zu verstehen, da die Wiederherstellung der Gleichgewichtsverteilung davon abhängt, wie stark diese Zustände miteinander koppeln. Die direkte Beobachtung des Zerfalls optisch angeregter Photoströme im zweidimensional aufgelösten Impulsraum ober- und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur wird ein mikroskopisches Verständnis der Impulsstreuung auf den Stromtransport ermöglichen. Für ausgewählte Proben wird ferner der Einfluss des Magnetismus auf den Elektronentransport am Ferminiveau mit THz-ARPES untersuchen werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Russische Föderation
• Partnerorganisation: Russian Foundation for Basic Research, bis 3/2022
• Mitverantwortlich: Privatdozent Dr. Jens Güdde
• Kooperationspartner: Professor Dr. Oleg Tereshchenko, bis 3/2022