@phdthesis{Bathon2021,
  author    = {Bathon, Thomas},
  title     = {Gezielte Manipulation Topologischer Isolatoren},
  doi       = {10.25972/OPUS-23920},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-239204},
  school      = {Universit{\"a}t W{\"u}rzburg},
  year      = {2021},
  abstract  = {Neue physikalische Erkenntnisse vervollst{\"a}ndigen die Sicht auf die Welt und erschließen gleichzeitig Wege f{\"u}r Folgeexperimente und technische Anwendungen. Das letzte Jahrzehnt der Festk{\"o}rperforschung war vom zunehmenden Fokus der theoretischen und experimentellen Erkundung topologischer Materialien gepr{\"a}gt. Eine fundamentale Eigenschaft ist ihre Resistenz gegen{\"u}ber solchen St{\"o}rungen, welche spezielle physikalische Symmetrien nicht verletzen. Insbesondere die Topologischen Isolatoren - Halbleiter mit isolierenden Volumen- sowie gleichzeitig leitenden und spinpolarisierten Oberfl{\"a}chenzust{\"a}nden - sind vielversprechende Kandidaten zur Realisierung breitgef{\"a}cherter spintronischer Einsatzgebiete. Bis zur Verwirklichung von Quantencomputern und anderer, heute noch exotisch anmutender Konzepte bedarf es allerdings ein umfassenderes Verst{\"a}ndnis der grundlegenden, physikalischen Zusammenh{\"a}nge. Diese kommen vor allem an Grenzfl{\"a}chen zum Tragen, weshalb oberfl{\"a}chensensitive Methoden bei der Entdeckung der Topologischen Isolatoren eine wichtige Rolle spielten. Im Rahmen dieser Arbeit werden daher strukturelle, elektronische und magnetische Eigenschaften Topologischer Isolatoren mittels Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie sowie begleitenden Methoden untersucht. Die Ver{\"a}nderung der Element-Ausgangskonzentration w{\"a}hrend dem Wachstum des prototypischen Topologischen Isolators Bi2Te3 f{\"u}hrt zur Realisierung eines topologischen p-n {\"U}bergangs innerhalb des Kristalls. Bei einem spezifischen Verh{\"a}ltnis von Bi zu Te in der Schmelze kommt es aufgrund unterschiedlicher Erstarrungstemperaturen der Komponenten zu einer Ansammlung von Bi- und Te-reichen Gegenden an den gegen{\"u}berliegenden Enden des Kristalls. In diesen bildet sich infolge des jeweiligen Element{\"u}berschusses durch Kristallersetzungen und -fehlstellen eine Dotierung des Materials aus. Daraus resultiert die Existenz eines {\"U}bergangsbereiches, welcher durch Transportmessungen verifiziert werden kann. Mit der r{\"a}umlich aufl{\"o}senden Rastertunnelmikroskopie wird diese Gegend lokalisiert und strukturell sowie elektronisch untersucht. Innerhalb des {\"U}bergangsbereiches treten charakteristische Kristalldefekte beider Arten auf - eine Defektunterdr{\"u}ckung bleibt folglich aus. Dennoch ist dort der Beitrag der Defekte zum Stromtransport aufgrund ihres gegens{\"a}tzlichen Dotiercharakters vernachl{\"a}ssigbar, sodass der topologische Oberfl{\"a}chenzustand die maßgeblichen physikalischen Eigenschaften bestimmt. Dar{\"u}ber hinaus tritt der {\"U}bergangsbereich in energetischen und r{\"a}umlichen Gr{\"o}ßenordnungen auf, die Anwendungen bei Raumtemperatur denkbar machen. Neben der Ver{\"a}nderung Topologischer Isolatoren durch den gezielten Einsatz intrinsischer Kristalldefekte bieten magnetische St{\"o}rungen die M{\"o}glichkeit zur Pr{\"u}fung des topologischen Oberfl{\"a}chenzustandes auf dessen Widerstandsf{\"a}higkeit sowie der gegenseitigen Wechselwirkungen. Die Zeitumkehrinvarianz ist urs{\"a}chlich f{\"u}r den topologischen Schutz des Oberfl{\"a}chenzustandes, weshalb magnetische Oberfl{\"a}chen- und Volumendotierung diese Symmetrie brechen und zu neuartigem Verhalten f{\"u}hren kann. Die Oberfl{\"a}chendotierung Topologischer Isolatoren kann zu einer starken Bandverbiegung und einer energetischen Verschiebung des Fermi-Niveaus f{\"u}hren. Bei einer wohldosierten Menge der Adatome auf p-dotiertem Bi2Te3 kommt die Fermi-Energie innerhalb der Volumenzustands-Bandl{\"u}cke zum Liegen. Folglich wird bei Energien rund um das Fermi-Niveau lediglich der topologische Oberfl{\"a}chenzustand bev{\"o}lkert, welcher eine Wechselwirkung zwischen den Adatomen vermitteln kann. F{\"u}r Mn-Adatome kann R{\"u}ckstreuung beobachtet werden, die aufgrund der Zeitumkehrinvarianz in undotierten Topologischen Isolatoren verboten ist. Die {\"u}berraschenderweise starken und fokussierten Streuintensit{\"a}ten {\"u}ber mesoskopische Distanzen hinweg resultieren aus der ferromagnetischen Kopplung nahegelegener Adsorbate, was durch theoretische Berechnungen und R{\"o}ntgendichroismus-Untersuchungen best{\"a}tigt wird. Gleichwohl wird f{\"u}r die Proben ein superparamagnetisches Verhalten beobachtet. Im Gegensatz dazu f{\"u}hrt die ausreichende Volumendotierung von Sb2Te3 mit V-Atomen zu einem weitreichend ferromagnetischen Verhalten. Erstaunlicherweise kann trotz der weitl{\"a}ufig verbreiteten Theorie Zeitumkehrinvarianz-gebrochener Dirac-Zust{\"a}nde und der experimentellen Entdeckung des Anormalen Quanten-Hall-Effektes in {\"a}hnlichen Probensystemen keinerlei Anzeichen einer spektroskopischen Bandl{\"u}cke beobachtet werden. Dies ist eine direkte Auswirkung der dualen Natur der magnetischen Adatome: W{\"a}hrend sie einerseits eine magnetisch induzierte Bandl{\"u}cke {\"o}ffnen, besetzen sie diese durch St{\"o}rstellenresonanzen wieder. Ihr stark lokaler Charakter kann durch die Aufnahme ihrer r{\"a}umlichen Verteilung aufgezeichnet werden und f{\"u}hrt zu einer Mobilit{\"a}ts-Bandl{\"u}cke, deren Indizien durch vergleichende Untersuchungen an undotiertem und dotiertem Sb2Te3 best{\"a}tigt werden.},
  subject      = {Rastertunnelmikroskopie},
  language  = {de}
}
@article{SessiBiswasBathonetal.2016,
  author    = {Sessi, Paolo and Biswas, Rudro R. and Bathon, Thomas and Storz, Oliver and Wilfert, Stefan and Barla, Alessandro and Kokh, Konstantin A. and Tereshchenko, Oleg E. and Fauth, Kai and Bode, Matthias and Balatsky, Alexander V.},
  title     = {Dual nature of magnetic dopants and competing trends in topological insulators},
  series = {Nature Communications},
  volume    = {7},
  journal   = {Nature Communications},
  doi       = {10.1038/ncomms12027},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-172704},
  year      = {2016},
  abstract  = {Topological insulators interacting with magnetic impurities have been reported to host several unconventional effects. These phenomena are described within the framework of gapping Dirac quasiparticles due to broken time-reversal symmetry. However, the overwhelming majority of studies demonstrate the presence of a finite density of states near the Dirac point even once topological insulators become magnetic. Here, we map the response of topological states to magnetic impurities at the atomic scale. We demonstrate that magnetic order and gapless states can coexist. We show how this is the result of the delicate balance between two opposite trends, that is, gap opening and emergence of a Dirac node impurity band, both induced by the magnetic dopants. Our results evidence a more intricate and rich scenario with respect to the once generally assumed, showing how different electronic and magnetic states may be generated and controlled in this fascinating class of materials.},
  language  = {en}
}
@article{SessiSilkinNechaevetal.2015,
  author    = {Sessi, Paolo and Silkin, Vyacheslav M. and Nechaev, Ilya A. and Bathon, Thomas and El-Kareh, Lydia and Chulkov, Evgueni V. and Echenique, Pedro M. and Bode, Matthias},
  title     = {Direct observation of many-body charge density oscillations in a two-dimensional electron gas},
  series = {Nature Communications},
  volume    = {6},
  journal   = {Nature Communications},
  number    = {8691},
  doi       = {10.1038/ncomms9691},
  url       = {http://nbn-resolving.de/urn:nbn:de:bvb:20-opus-145246},
  year      = {2015},
  abstract  = {Quantum interference is a striking manifestation of one of the basic concepts of quantum mechanics: the particle-wave duality. A spectacular visualization of this effect is the standing wave pattern produced by elastic scattering of surface electrons around defects, which corresponds to a modulation of the electronic local density of states and can be imaged using a scanning tunnelling microscope. To date, quantum-interference measurements were mainly interpreted in terms of interfering electrons or holes of the underlying band-structure description. Here, by imaging energy-dependent standing-wave patterns at noble metal surfaces, we reveal, in addition to the conventional surface-state band, the existence of an 'anomalous' energy band with a well-defined dispersion. Its origin is explained by the presence of a satellite in the structure of the many-body spectral function, which is related to the acoustic surface plasmon. Visualizing the corresponding charge oscillations provides thus direct access to many-body interactions at the atomic scale.},
  language  = {en}
}