The first experiment discussed in this thesis investigates strained 3D HgTe, a strong topological insulator with conducting surface states. Resistance measurements show a pronounced quantum Hall effect observed at millikelvin temperatures in a magnetic field perpendicular to the sample geometry. This effect occurs despite the fact that the current is carried by electrons from the top surface, the ...
Zusammenfassung (Englisch)
The first experiment discussed in this thesis investigates strained 3D HgTe, a strong topological insulator with conducting surface states. Resistance measurements show a pronounced quantum Hall effect observed at millikelvin temperatures in a magnetic field perpendicular to the sample geometry. This effect occurs despite the fact that the current is carried by electrons from the top surface, the bottom surface, and the bulk conduction band. Transport measurements were performed in a 4-terminal Hall geometry. Here, all charge carrier classes contribute to the current flow. 2D colour plots of the conductivity reveal different coexisting Landau fans, each of which can be assigned to a distinct electron species. Additionally, the magnetocapacitance was measured. The low density of states of a two-dimensional electron system (2DES) allows for the observation of the quantum capacitance, which is directly proportional to the thermodynamic density of states. This also permits drawing conclusions about the Landau levels. Since the capacitance measurements primarily probe the uppermost layer of charges, below 6T only one Landau fan belonging to the 2DES of the top surface can be observed. At high magnetic fields, the picture changes. Both the transport and capacitance measurements consistently show only one Landau fan, reflecting the total electron density of the system. The conclusion is that as the magnetic field increases, the different Landau levels merge into a single Landau fan. Consequently, at sufficiently high magnetic fields only one carrier species remains.
For the second experiment, a superconducting niobium film was deposited onto the HgTe. The film is perforated with an array of periodically arranged holes, so-called antidots. When an external magnetic field is applied perpendicular to the sample geometry, vortices with quantized magnetic flux are formed in the Nb. The vortices tend to be trapped inside the antidots due to the attractive pinning potential of the antidots. If the periodicity of the antidot lattice is commensurable with the strength of the magnetic field, the vortices form a stable lattice. The trivial case is when there is exactly one flux quantum per antidot, and the vortices assume the geometry of the perforated lattice. The pinning properties of the antidots have been observed through transport measurements, which showed periodic oscillations of the resistance as a function of magnetic flux. Moreover, measurements of the differential resistance show that the integer pinning configurations remain stable even at high currents. Additionally, more detailed resistance measurements also reveal a pronounced fractional fine structure, which is associated with the lower edge of the fractal energy spectrum of the Hofstadter butterfly. This suggests complex yet stable lattice configurations of the vortices.
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das erste in dieser Arbeit behandelte Experiment untersucht verspanntes 3D-HgTe, einen starken topologischen Isolator mit leitenden Oberflächenzuständen. Widerstandsmessungen zeigen einen ausgeprägten Quanten-Hall-Effekt, der bei Millikelvin-Temperaturen in einem Magnetfeld senkrecht zur Probengeometrie beobachtet wird. Dieser Effekt tritt trotz der Tatsache auf, dass der Strom von Elektronen aus ...
Übersetzung der Zusammenfassung (Deutsch)
Das erste in dieser Arbeit behandelte Experiment untersucht verspanntes 3D-HgTe, einen starken topologischen Isolator mit leitenden Oberflächenzuständen. Widerstandsmessungen zeigen einen ausgeprägten Quanten-Hall-Effekt, der bei Millikelvin-Temperaturen in einem Magnetfeld senkrecht zur Probengeometrie beobachtet wird. Dieser Effekt tritt trotz der Tatsache auf, dass der Strom von Elektronen aus der oberen Oberfläche, der unteren Oberfläche und dem Leitungsband getragen wird. Die Transportmessungen wurden in einer 4-Punkt-Hall-Geometrie durchgeführt. Hier tragen alle Ladungsträgerarten zum Stromfluss bei. 2D-Farbdiagramme der Leitfähigkeit zeigen verschiedene koexistierende Landau-Fächer, von denen jeder einer bestimmten Elektronenspezies zugeordnet werden kann. Zusätzlich wurde die Magnetokapazität gemessen. Die geringe Zustandsdichte eines zweidimensionalen Elektronensystems (2DES) ermöglicht die Beobachtung der Quantenkapazität, die direkt proportional zur thermodynamischen Zustandsdichte ist. Dies lässt auch Rückschlüsse auf die Landau-Niveaus zu. Da die Kapazitätsmessungen in erster Linie die oberste Ladungsschicht untersuchen, kann unterhalb von 6T nur ein Landau-Fächer beobachtet werden, der zum 2DES der Oberseite gehört. Bei hohen Magnetfeldern ändert sich das Bild. Sowohl die Transport- als auch die Kapazitätsmessungen zeigen durchweg nur einen Landau-Fächer, der die gesamte Elektronendichte des Systems widerspiegelt. Die Schlussfolgerung ist, dass mit zunehmendem Magnetfeld die verschiedenen Landau-Niveaus zu einem einzigen Landau-Fächer verschmelzen. Folglich bleibt bei ausreichend hohen Magnetfeldern nur eine Ladungsträgerspezies übrig.
Für das zweite Experiment wurde eine supraleitender Niobfilm auf das HgTe aufgebracht. Der Film ist mit einer Reihe von periodisch angeordneten Löchern, so genannten Antidots, perforiert. Wenn ein äußeres Magnetfeld senkrecht zur Probengeometrie angelegt wird, bilden sich im Nb magnetische Wirbel mit quantisiertem Magnetfluss. Die Wirbel neigen dazu, aufgrund des anziehenden Pinning-Potenzials der Antidots im Inneren der Antidots gefangen zu sein. Wenn die Periodizität des Antidot-Gitters mit der Stärke des Magnetfelds kommensurabel ist, bilden die Wirbel ein stabiles Gitter. Der triviale Fall ist, dass es genau ein Flussquant pro Antidot gibt und die Wirbel die Geometrie des perforierten Gitters annehmen. Die Pinning-Eigenschaften der Antidots wurden durch Transportmessungen beobachtet, die periodische Oszillationen des Widerstands als Funktion des magnetischen Flusses zeigten. Weiterhin zeigen die Messungen des differentiellen Widerstands, dass die ganzzahligen Pinning-Konfigurationen auch bei hohen Strömen stabil bleiben. Darüber hinaus zeigen detailliertere Widerstandsmessungen eine ausgeprägte fraktionale Feinstruktur, die mit dem unteren Rand des fraktalen Energiespektrums des Hofstadter-Schmetterlings verbunden ist. Dies deutet auf komplexe, aber stabile Gitterkonfigurationen der magnetischen Wirbel hin.
![[img]](https://epub.uni-regensburg.de/style/images/fileicons/application_pdf.png)
Downloadstatistik