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- URN zum Zitieren dieses Dokuments:
- urn:nbn:de:bvb:355-epub-313410
- DOI zum Zitieren dieses Dokuments:
- 10.5283/epub.31341
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Weishäupl, Sabine Josefine (2015) Quanteninterferenzeffekte in topologischen Isolatoren und magnetischen Halbleitern. Dissertation, Universität Regensburg. [Gegenwärtig angezeigt]Vorschau
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Weishäupl, Sabine Josefine
(2015)
Daten zur Dissertation "Quanteninterferenzeffekte in topologischen Isolatoren und magnetischen Halbleitern".
[Datensatz]
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| Dokumentenart: | Hochschulschrift der Universität Regensburg (Dissertation) |
|---|---|
| Open Access Art: | Primärpublikation |
| Datum: | 26 Februar 2015 |
| Begutachter (Erstgutachter): | Prof. Dr. Dieter Weiss |
| Tag der Prüfung: | 13 Februar 2015 |
| Institutionen: | Physik > Institut für Experimentelle und Angewandte Physik > Lehrstuhl Professor Weiss > Arbeitsgruppe Dieter Weiss |
| Stichwörter / Keywords: | Quanteninterferenzeffekte, topologische Isolatoren, magnetische Halbleiter |
| Dewey-Dezimal-Klassifikation: | 500 Naturwissenschaften und Mathematik > 530 Physik |
| Status: | Veröffentlicht |
| Begutachtet: | Ja, diese Version wurde begutachtet |
| An der Universität Regensburg entstanden: | Ja |
| Dokumenten-ID: | 31341 |
Zusammenfassung (Deutsch)
In zwei Schwerpunkte aufgeteilt, wurden in dieser Arbeit Quanteninterferenzeffekte in topologischen Isolatoren und in magnetisch dotierten zweidimensionalen Lochgasen untersucht. Die Mangan-Ionen modifizieren bei den invertiert dotierten Strukturen die Transporteigenschaften des Lochgases, sodass eine starke Lokalisierung der Löcher an den Mangan-Akzeptoren beobachtet wird. Bei Anlegen eines ...
Zusammenfassung (Deutsch)
In zwei Schwerpunkte aufgeteilt, wurden in dieser Arbeit Quanteninterferenzeffekte in topologischen Isolatoren und in magnetisch dotierten zweidimensionalen Lochgasen untersucht.
Die Mangan-Ionen modifizieren bei den invertiert dotierten Strukturen die Transporteigenschaften des Lochgases, sodass eine starke Lokalisierung der Löcher an den Mangan-Akzeptoren beobachtet wird. Bei Anlegen eines magnetischen Feldes findet ein Übergang des Systems in das Quanten-Hall-Regime statt. In diesem Übergangsbereich wurden universelle Leitwertschwankungen gemessen und daraus die Phasenkohärenzlänge bestimmt. Auswertungen über verschiedene Mangan-Konzentrationen zeigen, dass die Phasenkohärenzlänge mit steigendem Mangan-Gehalt geringer wird. Zudem ist sie unterhalb einer bestimmten Temperaturschwelle nahezu konstant und unabhängig von der Temperatur. Dies lässt auf zwei unterschiedliche Streumechanismen schließen: Die Spin-Flip-Streuung an den magnetischen Mangan-Ionen löst die Elektron-Elektron-Streuung als vorrangigen dephasierenden Mechanismus bei tiefen Temperaturen ab.
Die normal dotierten Heterostrukturen zeigten bei Messungen an Hallbars schwache Antilokalisierung, die den Korrekturterm zum klassischen Leitwert aufgrund der starken Spin-Bahn-Wechselwirkung in InAs-Strukturen darstellt. Die Anpassung an theoretische Modelle bestätigt die erwarteten Gesetzmäßigkeiten in diesem System: So ist für tiefe Temperaturen die Elektron-Elektron-Wechselwirkung und für höhere Temperaturen die Elektron-Phonon-Wechselwirkung für den Verlust der Phaseninformation verantwortlich. Diese Arbeit forcierte die Untersuchungen an Nanostrukturen auf Basis von InAs:Mn. Durch eine Einschränkung der lateralen Ausdehnung in schmale Drahtstrukturen kommt es zu einem Vorzeichenwechsel der Leitwertkorrektur. Im Gegensatz zu den betrachteten Hallbars ergeben sich in den Nanostrukturen weniger Pfade, auf denen eine Spinrelaxation erfolgen kann. Die Spinrelaxation und die schwache Antilokalisierung werden deswegen unterdrückt; im Experiment wurde schwache Lokalisierung beobachtet.
Der zweite Teil der Arbeit wies die Existenz von topologisch geschützten Oberflächenzuständen in HgTe anhand der Beobachtung von Aharonov-Bohm-Oszillationen nach.
Hierfür musste zunächst eine hohe Probenqualität bei der Prozessierung erreicht werden. Es wurden Interferometer mit mesoskopischen und makroskopischen Geometrien vermessen. Die Resultate ergeben ein konsistentes Bild: Im mesoskopischen Interferometer sind ausgeprägte Aharonov-Bohm-Oszillationen beobachtet worden, im makroskopischen traten ausschließlich Altshuler-Aronov-Spivak-Oszillationen auf.
Das mesoskopische Interferometer befindet sich im quasiballistischen Regime - an der Grenze zur Unordnung - und folglich sind die Aharonov-Bohm-Oszillationen die dominierenden Interferenzbeiträge. Mit einer Gate-Elektrode kann die Fermi-Energie durch die Bandstruktur des topologischen Isolators gestimmt werden: Befindet sich die Fermi-Energie in der Bandlücke, so sind die Interferenzen der Oberflächenzustände am deutlichsten ausgeprägt, da die Anteile der Volumen-Ladungsträger verschwinden. Liegt die Fermi-Energie im Leitungs- oder Valenzband, so nehmen auch "Bulk"-Ladungsträger am Transport teil. Deren Interferenzen werden in Form von überlagerten, universellen Leitwertschwankungen beobachtet.
Bei Variation der Gate-Spannung kommt es zu einer alternierenden Aharonov-Bohm-Phase, die eine Subband-Struktur im Energiespektrum des Nanodrahtes nach Bardarson et al. bestätigt. Auch die Temperaturabhängigkeit der Phasenkohärenzlänge ist in Übereinstimmung mit der theoretisch erwarteten Gesetzmäßigkeit. Die Temperaturabhängigkeit und die alternierende Aharonov-Bohm-Phase bestätigen, dass die beobachteten Interferenzen von den Oberflächenzuständen des topologischen Isolators hervorgerufen werden.
Zusätzlich wurde ein noch ursächlich ungeklärter Effekt aufgedeckt: Ist die Fermi-Energie in der Bandlücke oder im Leitungsband, so befinden sich die Wellenfunktionen der Oberflächenzustände an den Rändern und dringen nicht ins Probeninnere ein. Für Fermi-Energien im Valenzband ändert sich die Ausdehnung der Wellenfunktion abrupt: Sie dringt in das Probeninnere ein. Die Ursache hierfür kann eine Hybridisierung der Oberflächenzustände mit den "Bulk"-Ladungsträgern im Valenzband sein.
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
In this work we investigate quantum interference effects in topological insulators and magnetic semiconductors. The first part of this thesis explores phase coherent transport in manganese doped, p-type InAs quantum wells as a function of manganese concentration. We compare samples with different amount of manganese ions in their active channel. Samples with high manganese concentration feature ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Englisch)
In this work we investigate quantum interference effects in topological insulators and magnetic semiconductors.
The first part of this thesis explores phase coherent transport in manganese doped, p-type InAs quantum wells as a function of manganese concentration. We compare samples with different amount of manganese ions in their active channel. Samples with high manganese concentration feature strong localization of holes at the manganese ions. At higher magnetic fields the localization is lifted and Shubnikov-de-Haas oscillations start to appear. Measurement of universal conductance oscillations allow to determine the phase coherence length. For higher manganese concentration the phase coherence length is decreased and constant below a certain temperature. This is due to two different scattering mechanism: at higher temperatures electron-electron scattering is the main dephasing mechanism, at lower temperatures spin-flip scattering is found to be the dominant source of dephasing. Samples that have lower manganese concentration display weak antilocalization. This weak antilocalization correction to the conductance is switched off in narrow wires. Spin relaxation and thus weak antilocalization is suppressed and weak localization is observed.
Within the second part of this thesis we demonstrated the existence of topologically protected surface states in the three-dimensional topological insulator HgTe. Via a gate electrode the Fermi energy is tuned from the valence band through the bulk gap into the conduction band. Aharonov-Bohm oscillations with a periodicity determined by the area enclosed by the surface states are observed. They are most pronounced in the gate voltage regime for which the Fermi energy is located in the gap and only Dirac-type surface states exist. Wires with small dimensions display both Aharonov-Bohm and Altshuler-Aronov-Spivak oscillations, whereas the larger wire only features the Altshuler-Aronov-Spivak oscillations as was expected due to ensemble averaging. The gate voltage dependence monitored for the wire with mesoscopic dimensions indicates the formation of subbands as was theoretically predicted by Bardarson et al.. The temperature dependence confirms the expecting dephasing for surface states in topological insulators. Observing an unusual gate voltage dependence of the oscillation frequency, we argue that the wave function of surface states is shifted away from the surface due to hybridization with bulk states.
Metadaten zuletzt geändert: 26 Nov 2020 00:25
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