@phdthesis{Strunz2022,
  author    = {Strunz, Jonas},
  title     = {Quantum point contacts in HgTe quantum wells},
  doi       = {10.25972/OPUS-27459},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-274594},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2022},
  abstract  = {Quantenpunktkontakte (englisch: quantum point contacts, QPCs) sind eindimensionale Engstellen in einem ansonsten zweidimensionalen Elektronen- oder Lochsystem. Seit der erstmaligen Realisierung in GaAs-basierten zweidimensionalen Elektronengasen sind QPCs sukzessive zu einem Grundbestandteil mesoskopischer Physik geworden und erfahren in einer Vielzahl von Experimenten Anwendung. Jedoch ist es bis zur Anfertigung der vorliegenden Arbeit nicht gelungen, QPCs in der neuen Materialklasse der zweidimensionalen topologischen Isolatoren zu realisieren. In diesen Materialien tritt der sogenannte Quanten-Spin-Hall-Effekt (QSH-Effekt) auf, welcher sich durch die Ausbildung von leitf{\"a}higen, eindimensionalen sowie gleichermaßen spinpolarisierten Zust{\"a}nden an der Bauteilkante auszeichnet, w{\"a}hrend die restlichen Bereiche der Probe isolierend sind. Ein in einem zweidimensionalen topologischen Isolator realisierter QPC kann demgem{\"a}ß daf{\"u}r benutzt werden, die sich stets an der Bauteilkante befindlichen QSH-Randkan{\"a}le einander r{\"a}umlich anzun{\"a}hern, was beispielsweise die Untersuchung potentieller Wechselwirkungseffekte zwischen ebenjenen Randkan{\"a}len erm{\"o}glicht. Die vorliegende Arbeit beschreibt die erstmalig erfolgreich durchgef{\"u}hrte Implementierung einer QPC-Technologie in einem QSH-System. {\"U}berdies werden die neuartigen Bauteile experimentell charakterisiert sowie analysiert. Nach einer in Kapitel 1 erfolgten Einleitung der Arbeit besch{\"a}ftigt sich das nachfolgende Kapitel 2 zun{\"a}chst mit der besonderen Bandstruktur von HgTe. In diesem Kontext wird die Ausbildung der QSH-Phase f{\"u}r HgTe-Quantentr{\"o}ge mit einer invertierten Bandstruktur erl{\"a}utert, welche f{\"u}r deren Auftreten eine Mindesttrogdicke von d_QW > d_c = 6.3 nm aufweisen m{\"u}ssen. Im Anschluss wird das Konzept eines QPCs allgemein eingef{\"u}hrt sowie das zugeh{\"o}rige Transportverhalten analytisch beschrieben. {\"U}berdies werden die Einschr{\"a}nkungen und Randbedingungen diskutiert, welche bei der Realisierung eines QPCs in einem QSH-System Ber{\"u}cksichtigung finden m{\"u}ssen. Darauf folgt die Pr{\"a}sentation des eigens zur QPC-Herstellung entwickelten Lithographieprozesses, welcher auf einer mehrstufigen Anwendung eines f{\"u}r HgTe-Quantentrogstrukturen geeigneten nasschemischen {\"A}tzverfahrens beruht. Die im Nachgang diskutierten Transportmessungen exemplarischer Proben zeigen die erwartete Leitwertquantisierung in Schritten von ΔG ≈ 2e^2/h im Bereich des Leitungsbandes -- sowohl f{\"u}r eine topologische als auch f{\"u}r eine triviale (d_QW < d_c) QPC-Probe. Mit dem Erreichen der Bandl{\"u}cke saturiert der Leitwert f{\"u}r den topologischen QPC um G_QSH ≈ 2e^2/h, wohingegen ebenjener f{\"u}r den Fall des trivialen Bauteils auf G ≈ 0 abf{\"a}llt. Dar{\"u}ber hinaus belegen durchgef{\"u}hrte Messungen des differentiellen Leitwertes einer invertierten QPC-Probe in Abh{\"a}ngigkeit einer Biasspannung die stabile Koexistenz von topologischen und trivialen Transportmoden. Gegenstand von Kapitel 3 ist die Beschreibung der Ausbildung eines QSH-Interferometers in QPCs mit geringer Weite, welche unter Verwendung von Quantentr{\"o}gen mit einer Trogdicke von d_QW = 7 nm hergestellt werden. Die Diskussion von Bandstrukturrechnungen legt dar, dass die r{\"a}umliche Ausdehnung der Randkan{\"a}le von der jeweiligen Position der Fermi-Energie im Bereich der Bandl{\"u}cke abh{\"a}ngt. Hieraus resultiert eine Transportsituation, in welcher -- unter bestimmten Voraussetzungen -- Reservoir-Elektronen mit randomisiertem Spin an beide QSH-Randkan{\"a}le mit gleicher Wahrscheinlichkeit koppeln, was in der Ausbildung eines QSH-Rings resultiert. Diese Ringbildung wird im Rahmen eines durch Plausibilit{\"a}ts{\"u}berpr{\"u}fung getesteten Modells erkl{\"a}rt und spezifiziert. Danach erfolgt eine theoretische Einf{\"u}hrung von drei relevanten Quantenphasen, deren Akkumulation in der Folge f{\"u}r mehrere geeignete QPC-Proben nachgewiesen wird. Es handelt sich hierbei um die Aharonov-Bohm-Phase, um die dynamische Aharonov-Casher-Phase sowie um eine Spin-Bahn-Berry-Phase mit einem Wert von π. Diese experimentellen Ergebnisse stehen dar{\"u}ber hinaus im Einklang mit analytischen Modellbetrachtungen. Das anschließende Kapitel 4 stellt den letzten Teil der Arbeit dar und besch{\"a}ftigt sich mit der Beobachtung einer anomalen Leitwertsignatur, welche f{\"u}r QPC-Proben basierend auf einer Quantentrogdicke von d_QW = 10.5 nm auftritt. Diese Proben zeigen neben der durch die QSH-Phase bedingten Leitwertquantisierung von G_QSH ≈ 2e^2/h ein weiteres Leitwertplateau mit einem Wert von G ≈ e^2/h = 0.5 x G_QSH. Diese sogenannte 0.5-Anomalie ist nur f{\"u}r ein kleines Intervall von QPC-Weiten beobachtbar und wird mit zunehmender Bauteilweite abgeschw{\"a}cht. Weiterf{\"u}hrende Untersuchungen in Abh{\"a}ngigkeit der Temperatur sowie einer angelegten Biasspannung deuten dar{\"u}ber hinaus darauf hin, dass das Auftreten der 0.5-Anomalie mit einem modifizierten topologischen Zustand einhergeht. {\"U}berdies wird eine zus{\"a}tzliche sowie vervollst{\"a}ndigende Charakterisierung dieses Transportregimes durch die Realisierung eines neuartigen Bauteilkonzeptes m{\"o}glich, welches einen QPC in eine standardisierte Hall-Bar-Geometrie integriert. Das Ergebnis der experimentellen Analyse einer solchen Probe verkn{\"u}pft das Auftreten der 0.5-Anomalie mit der R{\"u}ckstreuung eines QSH-Randkanals. Demgem{\"a}ß wird aus Sicht des Einteilchenbildes geschlussfolgert, dass im Kontext der 0.5-Anomalie lediglich ein Randkanal transmittiert wird. Zudem werden zwei theoretische Modelle basierend auf Elektron-Elektron-Wechselwirkungen diskutiert, welche beide jeweils als urs{\"a}chlicher Mechanismus f{\"u}r das Auftreten der 0.5-Anomalie in Frage kommen. Abschließend ist zu deduzieren, dass die Implementierung einer QPC-Technologie in einem QSH-System eine bedeutende Entwicklung im Bereich der Erforschung von zweidimensionalen topologischen Isolatoren darstellt, welche eine Vielzahl zuk{\"u}nftiger Experimente erm{\"o}glicht. So existieren beispielsweise theoretische Vorhersagen, dass QPCs in einem QSH-System die Detektion von Majorana- sowie Para-Fermionen erm{\"o}glichen. {\"U}berdies ist die nachgewiesene Ausbildung eines QSH-Interferometers in geeigneten QPC-Proben eine Beobachtung von großer Folgewirkung. So erm{\"o}glicht die beobachtete dynamische Aharonov-Casher-Phase im QSH-Regime die kontrollierbare Modulation des topologischen Leitwertes, was die konzeptionelle Grundlage eines topologischen Transistors darstellt. Eine weitere Anwendungsm{\"o}glichkeit wird durch die Widerstandsf{\"a}higkeit geometrischer Phasen gegen{\"u}ber Dephasierung er{\"o}ffnet, wodurch die nachgewiesene Spin-Bahn-Berry-Phase mit einem Wert von π im Kontext potentieller Quantencomputerkonzepte von Interesse ist. Dar{\"u}ber hinaus ist die Transmission von nur einem QSH-Randkanal im Zuge des Auftretens der 0.5-Anomalie {\"a}quivalent zu 100 \% Spinpolarisierung, was einen Faktor essentieller Relevanz f{\"u}r die Realisierung spintronischer Anwendungen darstellt. Demgem{\"a}ß beinhaltet die vorliegende Arbeit den experimentellen Nachweis von drei unterschiedlichen Effekten, von welchen jedem einzelnen eine fundamentale Rolle im Rahmen der Entwicklung neuer Generationen logischer Bauelemente zukommen kann -- erm{\"o}glicht durch die Realisierung von QPCs in topologischen HgTe-Quantentr{\"o}gen.},
  subject      = {Topologischer Isolator},
  language  = {en}
}
@phdthesis{Muehlbauer2015,
  author    = {M{\"u}hlbauer, Mathias Josef},
  title     = {Nanolithography on Mercury Telluride},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-137152},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2015},
  abstract  = {Topological insulators belong to a new quantum state of matter that is currently one of the most recognized research fields in condensed matter physics. Strained bulk HgTe and HgTe/HgCdTe quantum well structures are currently one of few topological insulator material systems suitable to be studied in transport experiments. In addition HgTe quantum wells provide excellent requirements for the conduction of spintronic experiments. A fundamental requirement for most experiments, however, is to reliably pattern these heterostructures into advanced nano-devices. Nano-lithography on this material system proves to be challenging because of inherent temperature limitations, its high reactivity with various metals and due to its properties as a topological insulator. The current work gives an insight into why many established semiconductor lithography processes cannot be easily transferred to HgTe while providing alternative solutions. The presented developments include novel ohmic contacts, the prevention of metal sidewalls and redeposition fences in combination with low temperature (80 °C) lithography and an adapted hardmask lithography process utilizing a sacrificial layer. In addition we demonstrate high resolution low energy (2.5 kV) electron beam lithography and present an alternative airbridge gating technique. The feasibility of nano-structures on HgTe quantum wells is exemplarily verified in two separate transport experiments. We are first to realize physically etched quantum point contacts in HgTe/HgCdTe high mobility 2DEGs and to prove their controllability via external top-gate electrodes. So far quantum point contacts have not been reported in TI materials. However, these constrictions are part of many proposals to probe the nature of the helical quantum spin Hall edge channels and are suggested as injector and detector devices for spin polarized currents. To confirm their functionality we performed four-terminal measurements of the point contact conductance as a function of external gate voltage. Our measurements clearly exhibit quantized conductance steps in 2e2/h, which is a fundamental characteristic of quantum point contacts. Furthermore we conducted measurements on the formation and control of collimated electron beams, a key feature to realize an all electrical spin-optic device. In a second study several of the newly developed lithography techniques were implemented to produce arrays of nano-wires on inverted and non-inverted HgTe quantum well samples. These devices were used in order to probe and compare the weak antilocalization (WAL) in these structures as a function of magnetic field and temperature. Our measurements reveal that the WAL is almost an order of magnitude larger in inverted samples. This observation is attributed to the Dirac-like dispersion of the energy bands in HgTe quantum wells. The described lithography has already been successfully implemented and adapted in several published studies. All processes have been optimized to guarantee a minimum effect on the heterostructure's properties and the sample surface, which is especially important for probing the topological surface states of strained HgTe bulk layers. Our developments therefore serve as a base for continuous progress to further establish HgTe as a topological insulator and give access to new experiments.},
  subject      = {Topologischer Isolator},
  language  = {en}
}