FWF - Material Dynamic - 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.