Oberflächendynamik topologischer Materialien

In den letzten Jahren entdeckten Wissenschaftler eine neue Materialklasse mit Eigenschaften, wie sie von keinem bisherigen Material bekannt waren. Kristalle dieser Materialien leiten im Inneren keinen Strom, während ihre Oberflächen sich wie die eines Metalls verhalten, also Strom leiten. Diese Materialien, um die sich ein beträchtlicher Teil der internationalen Forschung der letzten Jahre dreht, werden `topologische Isolatoren` (TI) genannt. Eine der speziellen Eigenschaften der Oberflächen dieser TI Materialien ist die sog. `verbotene Rückstreuung`. Selbst die glattesten Oberflächen beinhalten kleine Stufen oder zufällig verteilte Fremdatome, welche für die darauf fließenden Elektronen ein Hindernis darstellen. Auf gewöhnlichen Materialien werden diese Elektronen an solchen Unreinheiten mehrfach gestreut, bevor sie ihr Ziel erreichen. Auf TI Oberflächen jedoch, führt das Verbot einer Rückstreuung` dazu, dass die Elektronen Hindernisse auf ihrem Weg ungestört passieren. Diese Eigenschaft stellt eine sehr gute Grundlage für zukünftige Anwendungen in Quantencomputern dar. In kürzlich erfolgten Untersuchungen der TI Materialien Bi2Te3 und Bi2Se3 wurde eine sogenannte `Kohn Anomalie` entdeckt, die bedeuten könnte, dass die unerwünschte Rückstreuung leider durch die Anregung einer Oberflächenvibration einsetzen könnte. Die Methode der Heliumatomstreuung erlaubt die gezielte Anregung von Oberflächenschwingungen und die gleichzeitige Vermessung der Elektronenladungsverteilung an der Oberfläche, eignet sich also besonders für die Untersuchung der für TI Oberflächen charakteristischen Merkmale. Eine weitere Klasse `topologischer` Materialien repräsentieren die sog. `Weyl Halbmetalle` (WH). Diese weisen die interessante Eigenschaft auf, auf der Ober- und der Unterseite unterschiedliche Eigenschaften zu besitzen, eine Besonderheit, die auf der Asymmetrie der zugrundeliegenden Kristallstruktur basiert. Am Institut für Experimentalphysik der Technischen Universität Graz sollen im beantragten Projekt die elektronischen Eigenschaften und Schwingungen an den Oberflächen topologischer Materialien, insbesondere die des TI Bi2Te2Se und der WH TaAs und NbAs untersucht werden. Ein spezielles Augenmerk wird auf die Gegenwart von `Kohn-Anomalien` gelegt sowie auf die unterschiedlichen Eigenschaften gegenüberliegender Materialoberflächen von Weyl Halbmetallen. Darüber hinaus lassen die mittels Heliumstreuung gewonnenen Ergebnisse detaillierte Rückschlüsse auf die Kopplung der Kernschwingungen im Kristall mit den Elektronen an der Kristalloberfläche zu, die mit anderen Messmethoden nicht ermittelt werden kann. Die weiterhin zu extrahierende Korrugation (Unebenheit) der Elektronendichteverteilung an der Oberfläche sollte Aufschlüsse über die Mechanismen des Ladungstransports an der Oberfläche geben. Zusammenfassend werden in diesem Projekt die grundlegenden Materialeigenschaften von Bi2Te2Se und anderen topologischen Materialien untersucht.

Um das Jahr 2005 sagten amerikanische theoretische Physiker auf der Basis eines mathematischen Gebietes, der Topologie, Anordnungen von Atomen in Kristallgittern voraus, die zu einem Material führen könnten, das an seiner Oberfläche den elektrischen Strom widerstandslos leitet, im Innern jedoch ein Isolator ist. Damit war der Startschuss für ein Rennen unter Materialwissenschaftlern gefallen. 2007 wurde der erste sogenannte topologische Isolator experimentell hergestellt, Dutzende folgten, und nun ging es u m das Entwickeln und die Anwendung geeigneter Messmethoden, die Eigenschaften der neu gezüchteten Materialien zu untersuchen. Quantentechnologische Anwendungen der topologischen Isolatoren könnten im Bereich von Quantencomputern oder auch Quantensensoren liegen, wo der widerstandslose Transport von Spin-polarisierten Elektronen an der Oberfläche oder die schon bei Anlagerung eines Fremdatoms veränderte Leitfähigkeit (Sensorik einzelner Atome oder Moleküle) gesuchte Eigenschaften darstellen. Leider gelten die idealen Eigenschaften in der Regel nur bei Temperaturen um den absoluten Nullpunkt. Unter realen Bedingungen können Gitterschwingungen im Kristall mit Elektronenbewegungen koppeln (Elektron-Phonon-Kopplung) und zu Energieverlusten führen, die die oben genannten Vorteile zunichtemachen. Im FWF-geförderten Projekt wurden mittels der für Oberflächeneffekte hochempfindlichen Heliumatomstreuung (a) die elektronische Struktur, (b) die Energien der Gitterschwingungen (Phononen), (c) die Stärke der Elektron -Phonon- Kopplung und (d) der Einfluss von Fremdatomen im Kristallgitter (p - oder n-Dotierung) gemessen. Die systematischen Messungen wurden an einer wichtigen Gruppe von topologischen Isolatoren durchgeführt, deren Kristallgitter aus chemischen Elementen der Gruppen 15 (Sb und Bi) und 16 (Se und Te) des Periodensystems zusammengesetzt sind. Für die Durchführung des Projekts war eine Reihe von internationalen Zusammenarbeiten wichtig. Die Materialproben wurden von einem Zentrum für die Herstellung sogenannter Dira c- Materialien an der Universität Aarhus, Dänemark geliefert, das auf die Zucht exzellenter Kristalle spezialisiert ist. Kollegen der theoretischen Physik der Universität Milano -Bicocca in Mailand und des Forschungsinstituts CSIC in Madrid unterstützten uns bei der Dateninterpretation und Entwicklung von Auswerteprogrammen. Komplementäre Messungen mit Hilfe der sogenannten Spin-Echo-Methode wurden an einigen Kristallen im Cavendish Labor der Universität Cambridge (U.K.) vorgenommen. Wir sind sicher, dass die von uns gewonnenen Ergebnisse von großem Nutzen für die Materialwahl und -zusammensetzung in den genannten Anwendungsgebieten sein werden.