TY - JOUR A1 - Scharf, Benedikt A1 - Braggio, Alessandro A1 - Stambini, Elia A1 - Giazotto, Francesco A1 - Hankiewicz, Ewelina M. T1 - Topological Josephson heat engine JF - Communications Physics N2 - Topological superconductors represent a fruitful playing ground for fundamental research as well as for potential applications in fault-tolerant quantum computing. Especially Josephson junctions based on topological superconductors remain intensely studied, both theoretically and experimentally. The characteristic property of these junctions is their 4-periodic ground-state fermion parity in the superconducting phase difference. Using such topological Josephson junctions, we introduce the concept of a topological Josephson heat engine. We discuss how this engine can be implemented as a Josephson-Stirling cycle in topological superconductors, thereby illustrating the potential of the intriguing and fruitful marriage between topology and coherent thermodynamics. It is shown that the Josephson-Stirling cycle constitutes a highly versatile thermodynamic machine with different modes of operation controlled by the cycle temperatures. Finally, the thermodynamic cycle reflects the hallmark 4 pi -periodicity of topological Josephson junctions and could therefore be envisioned as a complementary approach to test topological superconductivity. Topological superconductors are expected to be a key component of quantum computing systems but reliably detecting their exotic properties is a challenge. Here, the authors propose a topological Josephson heat engine which uses thermodynamic effects to probe the 4 pi -periodic ground state of a topological superconductor. KW - superconductivity Y1 - 2020 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-230603 VL - 3 ER - TY - THES A1 - Maier, Luis T1 - Induced superconductivity in the topological insulator mercury telluride T1 - Induzierte Supraleitung im topologischen Isolator Quecksilbertellurid N2 - The combination of a topological insulator (TI) and a superconductor (S), which together form a TI/S interface, is expected to influence the possible surface states in the TI. It is of special interest, if the theoretical prediction of zero energy Majorana states in this system is verifiable. This thesis presents the experimental realization of such an interface between the TI strained bulk HgTe and the S Nb and studies if the afore mentioned expectations are met. As these types of interfaces were produced for the first time the initial step was to develop a new lithographic process. Optimization of the S deposition technique as well as the application of cleaning processes allowed for reproducible fabrication of structures. In parallel the measurement setup was upgraded to be able to execute the sensitive measurements at low energy. Furthermore several filters have been implemented into the system to reduce high frequency noise and the magnetic field control unit was additionally replaced to achieve the needed resolution in the μT range. Two kinds of basic geometries have been studied: Josephson junctions (JJs) and superconducting quantum interference devices (SQUIDs). A JJ consists of two Nb contacts with a small separation on a HgTe layer. These S/TI/S junctions are one of the most basic structures possible and are studied via transport measurements. The transport through this geometry is strongly influenced by the behavior at the two S/TI interfaces. In voltage dependent differential resistance measurements it was possible to detect multiple Andreev reflections in the JJ, indicating that electrons and holes are able to traverse the HgTe gap between both interfaces multiple times while keeping phase coherence. Additionally using BTK theory it was possible to extract the interface transparency of several junctions. This allowed iterative optimization for the highest transparency via lithographic improvements at these interfaces. The increased transparency and thus the increased coupling of the Nb’s superconductivity to the HgTe results in a deeper penetration of the induced superconductivity into the HgTe. Due to this strong coupling it was possible to enter the regime, where a supercurrent is carried through the complete HgTe layer. For the first time the passing of an induced supercurrent through strained bulk HgTe was achieved and thus opened the area for detailed studies. The magnetic dependence of the supercurrent in the JJ was recorded, which is also known as a Fraunhofer pattern. The periodicity of this pattern in magnetic field compared to the JJ geometry allowed to conclude how the junction depends on the phase difference between both superconducting contacts. Theoretical calculations predicted a phase periodicity of 4p instead of 2p, if a TI is used as weak link material between the contacts, due to the presence of Majorana modes. It could clearly be shown that despite the usage of a TI the phase still was 2p periodic. By varying further influencing factors, like number of modes and phase coherence length in the junction, it might still be possible to reach the 4p regime with bound Majorana states in the future. A good candidate for further experiments was found in capped HgTe samples, but here the fabrication process still has to be developed to the same quality as for the uncapped HgTe samples. The second type of geometry studied in this thesis was a DC-SQUID, which consists of two parallel JJs and can also be described as an interference device between two JJs. The DC-SQUID devices were produced in two configurations: The symmetric SQUID, where both JJs were identical, and the asymmetric SQUID, where one JJ was not linear, but instead has a 90° bent. These configurations allow to test, if the predicted uniformity of the superconducting band gap for induced superconductivity in a TI is valid. While the phase of the symmetric SQUID is not influenced by the shape of the band gap, the asymmetric SQUID would be in phase with the symmetric SQUID in case of an uniform band gap and out of phase if p- or d-wave superconductivity is dominating the transport, due to the 90° junction. As both devices are measured one after another, the problem of drift in the coil used to create the magnetic field has to be overcome in order to decide if the oscillations of both types of SQUIDs are in phase. With an oscillation period of 0.5 mT and a drift rate in the range of 5.5 μT/h the measurements on both configurations have to be conducted in a few hours. Only then the total shift is small enough to compare them with each other. For this to be possible a novel measurement system based on a real time micro controller was programmed, which allows a much faster extraction of the critical current of a device. The measurement times were reduced from days to hours, circumventing the drift problems and enabling the wanted comparison. After the final system optimizations it has been shown that the comparison should now be possible. Initial measurements with the old system hinted that both types of SQUIDs are in phase and thus the expected uniform band gap is more likely. With all needed optimizations in place it is now up to the successors of this project to conclusively prove this last point. This thesis has proven that it is possible to induce superconductivity in strained bulk HgTe. It has thus realized the most basic sample geometry proposed by Fu and Kane in 2008 for the appearance of Majorana bound states. Based on this work it is now possible to further explore induced superconductivity in strained bulk HgTe to finally reach a regime, where the Majorana states are both stable and detectable. N2 - Aus theoretischen Betrachtungen geht hervor, dass die Kombination eines topologischen Isolators (TI) und eines Supraleiters (S) zu einer TI/S Grenzfläche die möglichen Oberflächenzustände im TI beeinflussen kann. Von besonderem Interesse ist dabei die Vorhersage der Ausbildung von Majorana Zuständen bei Null-Energie. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der experimentellen Realisierung einer solchen Grenzfläche zwischen dem TI verspanntes HgTe und dem S Nb und analysiert, ob die oben genannten Effekte tatsächlich in diesem System auftreten. Da diese Grenzflächen zum ersten Mal produziert wurden, musste zunächst ein neuer lithographischer Prozess dafür entwickelt werden. Nach der Optimierung der Depositionstechnik des S sowie der Anwendung von Reinigungsschritten, war eine reproduzierbare Fertigung von Probenstrukturen möglich. Parallel dazu wurde das Messsystem ausgebaut, damit die sensitiven Messungen bei geringer Energie durchgeführt werden konnten. So wurden mehrere Frequenzfilter eingebaut, um Hochfrequenzrauschen zu reduzieren und die Magnetfeldsteuerung ersetzt, damit die benötigte Auflösung im μT Bereich ereicht werden konnte. Es wurden zwei grundlegende Geometrien untersucht: Josephson Kontakte (engl. Josephson junctions, JJ) und supraleitende Quanteninterferenzeinheiten (engl. superconducting quantum interference devices, SQUIDs). Eine JJ besteht aus zwei Nb Kontakten mit einem kleinen Abstand zueinander, die auf einer HgTe Schicht aufgebracht werden. Diese S/TI/S Kontakte bilden eine der grundlegendsten Strukturen, die möglich sind und wurden mit Hilfe von Transportmessungen untersucht. Der Ladungstransport in dieser Geometrie wird stark durch die beiden S/TI Grenzflächen beeinflusst. In spannungsabhängigen Messungen des differenziellen Widerstandes konnten mehrfache Andreev Reflexionen in den JJ nachgewiesen werden, was zeigt, dass Elektronen und Löcher die HgTe Lücke zwischen beiden Nb Kontakten wiederholt phasenkoherent überwinden können. Zusätzlich konnte mit Hilfe der BTK Theorie die Transparenz der Grenzflächen bestimmt werden. Dies erlaubte eine iterative Optimierung zum Erreichen der höchst möglichen Transparenz durch lithographische Verbesserungen an den Grenzflächen. Eine verbesserte Transparenz erlaubt eine stärkere Kopplung der Supraleitung des Nb an das HgTe und somit ein tieferes Eindringen der induzierten Supraleitung in die HgTe Schicht. Aufgrund der verbesserten Ankopplung war es möglich, das Regime zu erreichen, in dem ein Suprastrom durch die HgTe Schicht zwischen den Nb Kontakten getragen werden kann. Erstmals konnte ein induzierter Suprastrom durch verspanntes HgTe geleitet werden und ermöglichte es, in diesem Forschungsbereich mit detaillierten Analysen zu beginnen. Es wurde die magnetische Abhängigkeit des Suprastroms in der JJ aufgenommen, auch bekannt als Fraunhofer Muster. Die Periodizität dieses Musters im Magnetfeld im Vergleich zur geometrischen Ausdehnung der JJ erlaubt Rückschlüsse darüber, wie der Suprastrom der JJ von der Phasendifferenz zwischen beiden supraleitenden Kontakten abhängt. Theoretische Berechnungen haben vorhergesagt, dass die Periodizität dieser Phasenbeziehung von ursprünglich 2p auf 4p wechselt, falls ein TI als Material zwischen den beiden Nb Kontakten verwendet wird, da Majorana Moden auftreten. Es konnte jedoch klar gezeigt werden, dass trotz Verwendung eines TI die Phasendifferenz immer noch 2p periodisch war. Durch die Variation weiterer Einflussfaktoren, wie die Anzahl der möglichen Moden oder die Phasenkohärenzlänge in der JJ könnte es in Zukunft trotz allem immer noch möglich sein, einen Bereich zu erreichen, in dem eine 4p Periodizität mit Majorana Zuständen vorliegt. Ein erfolgversprechender Kandidat für diese Experimente konnte in verspanntem HgTe mit CdHgTe Deckschicht gefunden werden, jedoch muss der Fabrikationsprozess für diese Material erst noch entwickelt werden, um in der Lage zu sein, Strukturen zu produzieren, die qualitativ vergleichbar mit denen ohne Deckschicht sind. Der zweite Geometrie-Typ, der untersucht wurde, ist ein DC-SQUID, das aus zwei parallelen JJs besteht und analog auch als Interferometer zweier JJs gesehen werden kann. Es wurden zwei Arten von DC-SQUIDs produziert: Das symmetrische SQUID, bestehend aus zwei identischen JJs und das asymmetrische SQUID, bei dem eine JJ nicht linear aufgebaut ist, sondern beide Nb Kontakte statt dessen einen Winkel von 90° zueinander aufweisen. Diese beiden Arten erlauben es die fehlende Winkelabhängigkeit der supraleitenden Bandlücke zu überprüfen, die für induzierte Supraleitung in einem TI prognostiziert wurde. Die Phase des symmetrischen SQUIDs wird nicht durch die Form der supraleitenden Bandlücke beeinflusst. Daher kann es als Referenz verwendet werden, um eine eventuelle Phasenverschiebung des asymmetrischen SQUIDs zu erkennen. Ist keine Phasenverschiebung vorhanden, ist dies eine Bestätigung der Uniformität der Bandlücke. Falls jedoch eine Phasenverschiebung aufgrund des 90° Kontaktes auftritt, würde der Transport hauptsächlich durch p- oder d-artige Supraleitung getragen werden. Da beide SQUIDs nacheinander vermessen werden, muss sichergestellt werden, dass Drifteffekte in der magnetfelderzeugenden Spule keinen Einfluss auf den Vergleich haben. Die typische Oszillationsfrequenz der SQUIDs beträgt 0.5 mT und die Driftrate der Spule liegt im Bereich von 5.5 μT/h. Um einen aussagekräftigen Vergleich durchführen zu können, müssen die Messungen an beiden SQUIDs in wenigen Stunden durchgeführt werden, damit der Gesamtdrift klein genug bleibt. Um diese Messgeschwindigkeit zu erreichen, wurde ein neues Messsystem zur Aufnahme des kritischen Stroms, basierend auf einem Echtzeit Microcontroller, entwickelt. Dies reduziert die Zeitskala der benötigten Messungen von Tagen auf Stunden und erlaubt es so, den gewünschten Vergleich durchzuführen. Nachdem alle Optimierungen im Messsystem realisiert wurden, konnte gezeigt werden, dass der Vergleich nun tatsächlich möglich ist. Erste Testmessungen mit dem alten Messsystem legen nahe, dass das asymmetrische SQUID ein Maximum bei B = 0 T zeigt und somit die homogene Bandlücke das wahrscheinlichere Resultat ist. Da nun alle messspezifischen Optimierungen abgeschlossen sind, sollte es den Nachfolgern dieses Projektes zukünftig möglich sein, die finale Messung durchzuführen. Diese Arbeit hat gezeigt, dass es möglich ist, Supraleitung in verspanntem HgTe zu induzieren. Es wurde somit die grundlegendste Probengeometrie realisiert, die von Fu und Kane in 2008 für das Auftreten von Majorana Zuständen vorgeschlagen wurde. Ausgehend von dieser Vorarbeit kann nun das Regime der induzierten Supraleitung in verspanntem HgTe weiter erforscht werden, um schlussendlich in einen Bereich vorzustoßen, in dem Majorana Zustände zugleich stabil und messbar sind. KW - superconductivity KW - induced KW - mercury KW - telluride KW - topological KW - insulator KW - TI KW - proximity effect KW - josephson junction KW - SQUID KW - topological insulator KW - Quecksilbertellurid KW - Topologischer Isolator KW - Supraleitung Y1 - 2015 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-119405 ER - TY - JOUR A1 - Bareille, C. A1 - Fortuna, F. A1 - Rödel, T. C. A1 - Bertran, F. A1 - Gabay, M. A1 - Hijano Cubelos, O. A1 - Taleb-Ibrahimi, A. A1 - Le Fèvre, P. A1 - Bibes, M. A1 - Barthelemy, A. A1 - Maroutian, T. A1 - Lecoeur, P. A1 - Rozenberg, M. J. A1 - Santander-Syro, A. F. T1 - Two-dimensional electron gas with six-fold symmetry at the (111) surface of KTaO3 JF - Scientific Reports N2 - Two-dimensional electron gases (2DEGs) at transition-metal oxide (TMO) interfaces, and boundary states in topological insulators, are being intensively investigated. The former system harbors superconductivity, large magneto-resistance, and ferromagnetism. In the latter, honeycomb-lattice geometry plus bulk spin-orbit interactions lead to topologically protected spin-polarized bands. 2DEGs in TMOs with a honeycomb-like structure could yield new states of matter, but they had not been experimentally realized, yet. We successfully created a 2DEG at the (111) surface of KTaO3, a strong insulator with large spin-orbit coupling. Its confined states form a network of weakly-dispersing electronic gutters with 6-fold symmetry, a topology novel to all known oxide-based 2DEGs. If those pertain to just one Ta-(111) bilayer, model calculations predict that it can be a topological metal. Our findings demonstrate that completely new electronic states, with symmetries not realized in the bulk, can be tailored in oxide surfaces, promising for TMO-based devices. KW - LAALO3/SRTIO3 interfaces KW - topological insulators KW - superconductivity KW - oxides KW - SRTIO3 Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117703 SN - 2045-2322 VL - 4 ER - TY - JOUR A1 - Hansmann, P. A1 - Parragh, N. A1 - Toschi, A. A1 - Sangiovanni, G. A1 - Held, K. T1 - Importance of d-p Coulomb interaction for high T-C cuprates and other oxides JF - New Journal of Physics N2 - Current theoretical studies of electronic correlations in transition metal oxides typically only account for the local repulsion between d-electrons even if oxygen ligand p-states are an explicit part of the effective Hamiltonian. Interatomic interactions such as U-pd between d- and (ligand) p-electrons, as well as the local interaction between p-electrons, are neglected. Often, the relative d-p orbital splitting has to be adjusted 'ad hoc' on the basis of the experimental evidence. By applying the merger of local density approximation and dynamical mean field theory to the prototypical case of the three-band Emery dp model for the cuprates, we demonstrate that, without any 'ad hoc' adjustment of the orbital splitting, the charge transfer insulating state is stabilized by the interatomic interaction U-pd. Our study hence shows how to improve realistic material calculations that explicitly include the p-orbitals. KW - correlated electrons KW - dynamical mean field theory KW - transition metal oxides KW - fermions KW - superconductivity KW - energy bands KW - transition metals KW - correlated systems KW - mean-field theory KW - electronic-structure calculations KW - inplane spectral weight KW - Hubbard model KW - infinite dimensions Y1 - 2014 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-117165 SN - 1367-2630 VL - 16 IS - 33009 ER - TY - JOUR A1 - Okada, Michio A1 - Rotenberg, Eli A1 - Kevan, S. D. A1 - Schäfer, J. A1 - Ujfalussy, Balazs A1 - Stocks, G. Malcolm A1 - Genatempo, B. A1 - Bruno, E. A1 - Plummer, E. W. T1 - Evolution of the electronic structure in \(Mo_{1-x}Re_x\) alloys JF - New Journal of Physics N2 - We report a detailed experimental and theoretical study of the electronic structure of \(Mo_{1-x}Re_x\) random alloys. We have measured electronic band dispersions for clean and hydrogen-covered \(Mo_{1-x}Re_x\) ( 110) with x = 0-0.25 using angle-resolved photoemission spectroscopy. Our results suggest that the bulk and most surface electronic bands shift relative to the Fermi level systematically and approximately rigidly with Re concentration. We distinguish and quantify two contributions to these shifts: a raise of the Fermi energy and an increase of the overall bandwidth. Alloy bands calculated using the first-principles Korringa-Kohn-Rostoker coherent-potential-approximation method accurately predict both of these effects. As derived from the rigid band model, the Fermi energy shift is inversely related to the bulk density of states in this energy region. Using our results, we also characterize an electronic topological transition of the bulk Fermi surface and relate this to bulk transport properties. Finally, we distinguish effects beyond the rigid band approximation: a highly surface-localized state and a composition-dependent impact of the spin-orbit interaction. KW - topological transitions KW - surface state KW - metals KW - total energy KW - W(110) KW - hydrogen KW - mo KW - superconductivity KW - spectra KW - coherent potential approximation Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-122993 SN - 1367-2630 VL - 15 IS - 093010 ER - TY - JOUR A1 - Oostinga, Jeroen B. A1 - Maier, Luis A1 - Schüffelgen, Peter A1 - Knott, Daniel A1 - Ames, Christopher A1 - Brüne, Christoph A1 - Tkachov, Grigory A1 - Buhmann, Hartmut A1 - Molenkamp, Laurens W. T1 - Josephson Supercurrent through the Topological Surface States of Strained Bulk HgTe JF - Physical Review X N2 - Strained bulk HgTe is a three-dimensional topological insulator, whose surface electrons have a high mobility (~ 30 000 cm\(^2\)=Vs), while its bulk is effectively free of mobile charge carriers. These properties enable a study of transport through its unconventional surface states without being hindered by a parallel bulk conductance. Here, we show transport experiments on HgTe-based Josephson junctions to investigate the appearance of the predicted Majorana states at the interface between a topological insulator and a superconductor. Interestingly, we observe a dissipationless supercurrent flow through the topological surface states of HgTe. The current-voltage characteristics are hysteretic at temperatures below 1 K, with critical supercurrents of several microamperes. Moreover, we observe a magnetic-field-induced Fraunhofer pattern of the critical supercurrent, indicating a dominant \(2\pi\)-periodic Josephson effect in the unconventional surface states. Our results show that strained bulk HgTe is a promising material system to get a better understanding of the Josephson effect in topological surface states, and to search for the manifestation of zero-energy Majorana states in transport experiments. KW - topological insulators KW - mesoscopics KW - superconductivity Y1 - 2013 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-129834 VL - 3 IS - 021007 ER - TY - THES A1 - Jöstingmeier, Martin T1 - On the competition of superconductivity, antiferromagnetism and charge order in the high-Tc compounds T1 - Über das Wechselspiel von Supraleitung, Antiferromagnetismus und Ladungsordung in den Kuprat-Supraleitern N2 - Diese Arbeit läßt sich in zwei grobe Abschnitte gliedern. Der erste Teil umfaßt die Kapitel 1-3, in denen drei verschiedene Konzepte beschrieben werden, die zum Verständis stark korrelierter Vielteilchen-Systeme dienen. Dies sind zunächst einmal die SO(5)-Theorie in Kapitel 3, die den allgemeinen Rahmen vorgibt und auf der numerischen Seite die Stochastische Reihen Entwicklung (SSE) in Kapitel 1 und der Contractor Renormierungsgruppen Ansatz (CORE), s.Kapitel 2). Die zentrale Idee dieser Dissertationsschrift besteht darin, diese verschiedenen Konzepte zu kombinieren, um ein besseres Verständnis der Hochtemperatursupraleiter zu erhalten. Im zweiten Teil dieser Arbeit (Kap. 4 und Kap. 5) werden die so gewonnenen Ergebnisse dargestellt. Die zentrale Idee dieser Arbeit, d.h. die Kombination der SO(5)-Theorie mit den Fähigkeiten bosonischer Quanten-Monte-Carlo Verfahren und den überlegungen der Renormierungsgruppe, hat sich sich am Beispiel der Physik der Hochtemperatur-Supraleiter als sehr tragfähig erwiesen. Die numerischen Simulationen reproduzieren bei den behandelten Modelle eine Reihe wichtiger experimenteller Daten. Die Grundlage für eine künftige weitere schrittweise Erweiterung des Modells wurde so geschaffen. Eine offene Frage ist z.B. die Restaurierung der SO(5)-Symmetrie an einem multi-kritischen Punkt, wenn die längerreichweitigen Wechselwirkungen mit in das Modell einbezogen sind. N2 - This thesis contains two major parts: The first part introduces the reader into three independent concepts of treating strongly correlated many body physics. These are, on the analytical side the SO(5)-theory (Chap.3), which poses the general frame. On the numerical side these are the Stochastic Series Expansion (SSE) (Chap.1) and the Contractor Renormalization Group (CORE) approach (Chap. 2}). The central idea of this thesis was to combine these above concepts, in order to achieve a better understanding of the high-T_c superconductors (HTSC). The results obtained by this combination can be found in the second major part of this thesis (chapters 4 and 5). The main idea of this thesis, i.e., to combine the SO(5)-theory with the capabilities of bosonic Quantum-Monte Carlo simulations and those of the CORE approach, has been proven to be a very successful Ansatz. Two different approaches, one based on symmetry and one on renormalization-group arguments, motivate an effective bosonic Hamiltonian. In a subsequent step the effective Hamiltonian has been simulated efficiently using the SSE. The results reproduce salient experiments on high-T_c superconductors. In addition, it has been shown that the model can be extended to capture also charge ordering. These results also form a profound basis for further studies, for example one could address the open question of SO(5)-symmetry restoration at a multicritical point in the extended pSO(5) model, where longer ranged interactions are included. KW - Hochtemperatursupraleitung KW - Simulation KW - Numerisches Verfahren KW - Supraleitung KW - Antiferromagnetismus KW - Ladungsordung KW - Kuprat-Supraleiter KW - SO(5)-Theorie der Supraleitung KW - superconductivity KW - antiferromagnetism KW - charge density waves KW - cuprate-superconductor KW - SO(5)-theory of superconductivity Y1 - 2005 U6 - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-13036 ER -