In Anbetracht des jüngsten experimentellen Fortschritts und dem drängenden Interesse, das Spin-Bahn-Kopplung induzierte Spin-Momentum-Locking im elektronischen Transport zu beobachten, beabsichtigen wir systematische und umfassende First-Principles-Untersuchungen zu Proximity-Effekten in dreidimensionalen topologischen Isolatoren durchzuführen. Dabei werden wir uns sowohl auf die Bi2Se3 Familie als auch auf mehrere neuartige Strukturen konzentrieren. Insbesondere planen wir Modifikationen in der Dirac-Bandstruktur zu begründen und relevante Austausch- und Spin-Bahn-Kopplungen zu extrahieren, welche in den Oberflächenzuständen der untersuchten Materialien aufgrund der Proximity-Effekte auftauchen. Wir werden herkömmliche Ferromagneten und Tunnelbarrieren benutzen, um Kontakte zu topologischen Isolatoren zu modellieren und dabei die Proximity-Effekte auswerten, die von verschiedenen Materialzusammensetzungen und Dicken der Tunnel-Barrieren an der Kontaktstelle verursacht werden. Zudem erwarten wir starke Magnetoanisotropien in den Proximity-Effekten. Um die First-Principles-Rechnungen zu ergänzen, werden wir Symmetrie-basierte, realistische und zugleich minimale phänomenologische Modelle entwickeln, um die Proximity-Bandstrukturen zu fitten und zu beschreiben. Diese werden insbesondere für großmaßstäbliche numerische Modellrechnungen zum Magnetotransport von Ladung und Spin für topologische Isolatoren mit Proximity-Bereichen aufgrund ferromagnetischer Elektroden herangezogen werden. Sowohl die First-Principles-Untersuchungen, als auch die Modell-Simulationen werden qualitative Einblicke und quantitative Informationen bereitstellen, die wichtig für den Spin- und Ladungstransport der Oberflächenzustände sind. Wir erwarten des Weiteren, dass unsere Arbeit zum einen einige drückende ungelöste Probleme in Hinblick auf die Interpretation jüngster Experimente aufklärt und, zum anderen, eine Motivation und Orientierungshilfe für neue Experimente bietet, indem sie optimale Materialien und strukturelle Parameter für Spininjektion und Spindetektion, sowie für Spin-Transfer-Torque-Phänomene vorhersagt.
