TY  - THES
A1  - Betzold, Simon
T1  - Starke Licht-Materie-Wechselwirkung und Polaritonkondensation in hemisphärischen Mikrokavitäten mit eingebetteten organischen Halbleitern
T1  - Strong light-matter interaction and polariton condensation in hemispherical microcavities with embedded organic semiconductors
N2  - Kavitäts-Exziton-Polaritonen (Polaritonen) sind hybride Quasiteilchen, die sich aufgrund starker Kopplung von Halbleiter-Exzitonen mit Kavitätsphotonen ausbilden. Diese Quasiteilchen weisen eine Reihe interessanter Eigenschaften auf, was sie einerseits für die Grundlagenforschung, andererseits auch für die Entwicklung neuartiger Bauteile sehr vielversprechend macht. Bei Erreichen einer ausreichend großen Teilchendichte geht das System in den Exziton-Polariton-Kondensationszustand über, was zur Emission von laserartigem Licht führt. Organische Halbleiter als aktives Emittermaterial zeigen in diesem Kontext großes Potential, da deren Exzitonen neben großen Oszillatorstärken auch hohe Bindungsenergien aufweisen. Deshalb ist es möglich, unter Verwendung organischer Halbleiter selbst bei Umgebungsbedingungen äußerst stabile Polaritonen zu erzeugen. Eine wichtige Voraussetzung zur Umsetzung von integrierten opto-elektronischen Bauteilen basierend auf Polaritonen ist der kontrollierte räumliche Einschluss sowie die Realisierung von frei konfigurierbaren Potentiallandschaften. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Entwicklung und der Untersuchung geeigneter Plattformen zur Erzeugung von Exziton-Polaritonen und Polaritonkondensaten in hemisphärischen Mikrokavitäten, in die organische Halbleiter eingebettet sind.
N2  - Cavity exciton-polaritons (polaritons) are hybrid quasiparticles which are formed due to the strong coupling of excitons with cavity photons. These quasiparticles exhibit a variety of interesting properties, rendering them very promising for both fundamental research and the development of novel opto-electronic devices. Once a suitably high particle density is reached, the system undergoes the transition into a state of exciton-polariton condensation, which leads to the emission of laser-like light. Organic semiconductors as active emitter material hold enormous potential in this context, as their excitons show both large oscillator strengths and high binding energies. Therefore it is possible to generate extremely stable polaritons using organic semiconductors even at ambient conditions. An important prerequisite for the implementation of integrated devices based on polaritons is the controlled spatial confinement and the realization of arbitrary potential landscapes. The present work deals with the development and investigation of suitable platforms for the generation of exciton-polaritons and polariton condensates in hemispheric microcavities with embedded organic semiconductors.
KW  - Exziton-Polariton
KW  - Organischer Halbleiter
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Laser
KW  - Optischer Resonator
KW  - FDTD Simulation
KW  - Hemisphärische Kavität
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-266654
ER  - 
TY  - THES
A1  - Scheffler, Lukas
T1  - Molecular beam epitaxy of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb
T1  - Molekularstrahlepitaxie des halb-Heusler Antiferromagneten CuMnSb
N2  - This work presents a newly developed method for the epitaxial growth of the half-Heusler antiferromagnet CuMnSb. All necessary process steps, from buffer growth to the deposition of a protective layer, are presented in detail. Using structural, electrical, and magnetic characterization, the material parameters of the epitaxial CuMnSb layers are investigated.
The successful growth of CuMnSb by molecular beam epitaxy is demonstrated on InAs (001), GaSb (001), and InP (001) substrates. While CuMnSb can be grown pseudomorphically on InAs and GaSb, the significant lattice mismatch for growth on InP leads to relaxation already at low film thicknesses. Due to the lower conductivity of GaSb compared to InAs, GaSb substrates are particularly suitable for the fabrication of CuMnSb layers for lateral electrical transport experiments. However, by growing a high-resistive ZnTe interlayer below the CuMnSb layer, lateral transport experiments on CuMnSb layers grown on InAs can also be realized. Protective layers of Ru and Al2O3 have proven to be suitable for protecting the CuMnSb layers from the environment.
Structural characterization by high resolution X-ray diffraction (full width at half maximum of 7.7 ′′ of the rocking curve) and atomic force microscopy (root mean square surface roughness of 0.14 nm) reveals an outstanding crystal quality of the epitaxial CuMnSb layers. The half-Heusler crystal structure is confirmed by scanning transmission electron microscopy and the stoichiometric material composition by Rutherford backscattering spectrometry. In line with the high crystal quality, a new minimum value of the residual resistance of CuMnSb (𝜌0 = 35 μΩ ⋅ cm) could be measured utilizing basic electrical transport experiments.
An elaborate study of epitaxial CuMnSb grown on GaSb reveals a dependence of the vertical lattice parameter on the Mn/Sb flux ratio. This characteristic enables the growth of tensile, unstrained, and compressive strained CuMnSb layers on a single substrate material. Additionally, it is shown that the Néel temperature has a maximum of 62 K at stoichiometric material composition and thus can be utilized as a selection tool for stoichiometric CuMnSb samples. Mn-related defects are believed to be the driving force for these observations.
The magnetic characterization of the epitaxial CuMnSb films is performed by superconducting quantum interference device magnetometry. Magnetic behavior comparable to the bulk material is found, however, an additional complex magnetic phase appears in thin CuMnSb films and/or at low magnetic fields, which has not been previously reported for CuMnSb. This magnetic phase is believed to be localized at the CuMnSb surface and exhibits both superparamagnetic and spin-glass-like behavior. The exchange bias effect of CuMnSb is investigated in combination with different in- and out-of-plane ferromagnets. It is shown that the exchange bias effect can only be observed in combination with in-plane ferromagnets.
Finally, the first attempts at the growth of fully epitaxial CuMnSb/NiMnSb heterostructures are presented. Both magnetic and structural studies by secondary-ion mass spectrometry indicate the interdiffusion of Cu and Ni atoms between the two half-Heusler layers, however, an exchange bias effect can be observed for the CuMnSb/NiMnSb heterostructures. Whether this exchange bias effect originates from exchange interaction between the CuMnSb and NiMnSb layers, or from ferromagnetic inclusions in the antiferromagnetic layer can not be conclusively identified.
N2  - In dieser Arbeit wird eine neu entwickelte Methode für das epitaktische Wachstum des antiferromagnetischen halb-Heuslers CuMnSb vorgestellt. Alle notwendigen Prozessschritte, vom Pufferschichtwachstum bis hin zum Aufbringen einer Schutzschicht, werden detailliert dargestellt. Mittels struktureller, elektrischer und magnetischer Charakterisierung werden die Materialparameter der epitaktischen CuMnSb-Schichten untersucht.
Das erfolgreiche Wachstum von CuMnSb durch Molekularstrahlepitaxie wird auf InAs (001), GaSb (001) und InP (001) Substraten demonstriert. Während CuMnSb auf InAs und GaSb pseudomorph gewachsen werden kann, führt die signifikante Gitterfehlanpassung beim Wachstum auf InP bereits bei geringen Schichtdicken zur Relaxation. Aufgrund der geringeren Leitfähigkeit von GaSb im Vergleich zu InAs sind GaSb-Substrate besonders geeignet für die Herstellung von CuMnSb-Schichten für laterale elektrische Transportexperimente. Durch Einbringen einer hochohmigen ZnTe-Zwischenschicht unterhalb der CuMnSb-Schicht können jedoch auch laterale Transportexperimente an CuMnSb-Schichten, die auf InAs gewachsen werden, durchgeführt werden. Schutzschichten aus Ru und Al2O3 haben sich als geeignet erwiesen, die CuMnSb-Schichten vor der Umgebung zu schützen.
Die strukturelle Charakterisierung mittels hochauflösender Röntgendiffraktometrie (Halbwertsbreite der Rocking-Kurve von 7.7′′) und Rasterkraftmikroskopie (quadratisches Mittel der Oberflächenrauhigkeit von 0.14nm) zeigt eine hervorragende Kristallqualität der epitaktischen CuMnSb-Schichten. Die halb-Heusler Kristallstruktur wird durch Rastertransmissionselektronenmikroskopie und die stöchiometrische Materialzusammensetzung durch Rutherford- Rückstreuungsspektrometrie bestätigt. In Übereinstimmung mit der hohen Kristallqualität konnte ein neuer Minimalwert des Restwiderstands von CuMnSb (𝜌0 = 35μΩ⋅cm) mit Hilfe von einfachen elektrischen Transportexperimenten gemessen werden.
Eine ausführliche Untersuchung von epitaktischem CuMnSb, das auf GaSb gewachsen wurde, zeigt eine Abhängigkeit der vertikalen Gitterkonstante vom Mn/Sb-Flussverhältnis. Diese Eigenschaft ermöglicht das Wachstum von zugverspannten, unverspannten und druckverspannten CuMnSb Schichten auf einem einzigen Substratmaterial. Darüber hinaus wird gezeigt, dass die Néel-Temperatur bei stöchiometrischer Materialzusammensetzung ein Maximum von 62 K aufweist und somit als Auswahlinstrument für stöchiometrische CuMnSb Proben dienen kann. Es wird angenommen, dass Mn-bezogene Defekte ursächlich für diese Beobachtungen sind.
Die magnetische Charakterisierung der epitaktischen CuMnSb-Filme erfolgt mittels Magnetometrie. Das magnetische Verhalten ist mit dem des Volumenmaterials vergleichbar. Allerdings tritt in dünnen CuMnSb Filmen und/oder bei niedrigen Magnetfeldern eine zusätzliche komplexe magnetische Phase auf, die bisher noch nicht für CuMnSb beobachtet wurde. Es wird angenommen, dass diese magnetische Phase an der CuMnSb-Oberfläche lokalisiert ist und sowohl superparamagnetisches als auch Spin-Glas-artiges Verhalten zeigt. Der Exchange Bias Effekt von CuMnSb wird in Kombination mit verschiedenen Ferromagneten mit vertikaler und horizontaler remanenter Magnetisierung untersucht. Es wird gezeigt, dass der Exchange Bias Effekt nur in Kombination mit Ferromagneten mit horizontaler remanenter Magnetisierung beobachtet werden kann.
Schließlich werden die ersten Versuche zum Wachstum von vollständig epitaktischen CuMnSb/NiMnSb-Heterostrukturen vorgestellt. Sowohl magnetische als auch strukturelle Untersuchungen mittels Sekundärionen-Massenspektrometrie weisen auf die Interdiffusion von Cu- und Ni-Atomen zwischen den beiden halb-Heusler Schichten hin. Der Exchange Bias Effekt kann an den CuMnSb/NiMnSb Heterostrukturen beobachtet werden. Ob dieser Exchange Bias Effekt auf Austauschwechselwirkungen zwischen den CuMnSb- und NiMnSb-Schichten oder auf ferromagnetische Einschlüsse in der antiferromagnetischen Schicht zurückzuführen ist, lässt sich nicht eindeutig feststellen.
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - Heuslersche Legierung
KW  - half-Heusler
KW  - Antiferromagnetikum
KW  - CuMnSb
KW  - Antiferromagnet
KW  - Heusler
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-322839
ER  - 
TY  - THES
A1  - Harder, Tristan H.
T1  - Topological Modes and Flatbands in Microcavity Exciton-Polariton Lattices
T1  - Topologische Moden und Flachbänder in Mikrokavitäts-Exziton-Polariton-Gittern
N2  - The fascination of microcavity exciton-polaritons (polaritons) rests upon the combination of advanced technological control over both the III-V semiconductor material platform as well as the precise spectroscopic access to polaritonic states, which provide access to the investigation of open questions and complex phenomena due to the inherent nonlinearity and direct spectroscopic observables such as energy-resolved real and Fourier space information, pseudospin and coherence. The focus of this work was to advance the research area of polariton lattice simulators with a particular emphasis on their lasing properties. Following the brief introduction into the fundamental physics of polariton lattices in chapter 2, important aspects of the sample fabrication as well as the Fourier spectroscopy techniques used to investigate various features of these lattices were summarized in chapter 3. Here, the implementation of a spatial light modulator for advanced excitation schemes was presented. 
At the foundation of this work is the capability to confine polaritons into micropillars or microtraps resulting in discrete energy levels. By arranging these pillars or traps into various lattice geometries and ensuring coupling between neighbouring sites, polaritonic band structures were engineered. In chapter 4, the formation of a band structure was visualised in detail by investigating ribbons of honeycomb lattices. Here, the transition of the discrete energy levels of a single chain of microtraps to the fully developed band structure of a honeycomb lattice was observed. This study allows to design the size of individual domains in more complicated lattice geometries such that a description using band structures becomes feasible, as it revealed that a width of just six unit cells is sufficient to reproduce all characteristic features of the S band of a honeycomb lattice. In particular in the context of potential technological applications in the realms of lasing, the laser-like, coherent emission from polariton microcavities that can be achieved through the excitation of polariton condensates is intriguing. The condensation process is significantly altered in a lattice potential environment when compared to a planar microcavity. Therefore, an investigation of the polariton condensation process in a lattice with respect to the characteristics of the excitation laser, the exciton-photon detuning as well as the reduced trap distance that represents a key design parameter for polaritonic lattices was performed. Based on the demonstration of polariton condensation into multiple bands, the preferred condensation into a desired band was achieved by selecting the appropriate detuning. Additionally, a decreased condensation threshold in confined systems compared to a planar microcavity was revealed. 
In chapter 5, the influence of the peculiar feature of flatbands arising in certain lattice geometries, such as the Lieb and Kagome lattices, on polaritons and polariton condensates was investigated. Deviations from a lattice simulator described by a tight binding model that is solely based on nearest neighbour coupling cause a remaining dispersiveness of the flatbands along certain directions of the Brillouin zone. Therefore, the influence of the reduced trap distance on the dispersiveness of the flatbands was investigated and precise technological control over the flatbands was demonstrated. As next-nearest neighbour coupling is reduced drastically by increasing the distance between the corresponding traps, increasing the reduced trap distance enables to tune the S flatbands of both Lieb and Kagome lattices from dispersive bands to flatbands with a bandwidth on the order of the polariton linewidth. Additionally to technological control over the band structures, the controlled excitation of large condensates, single compact localized state (CLS) condensates as well as the resonant excitation of polaritons in a Lieb flatband were demonstrated. Furthermore, selective condensation into flatbands was realised. This combination of technological and spectroscopic control illustrates the capabilities of polariton lattice simulators and was used to study the coherence of flatband polariton condensates. Here, the ability to tune the dispersiveness from a dispersive band to an almost perfect flatband in combination with the selectivity of the excitation is particularly valuable. By exciting large flatband condensates, the increasing degree of localisation to a CLS with decreasing dispersiveness was demonstrated by measurements of first order spatial coherence. Furthermore, the first order temporal coherence of CLS condensates was increased from τ = 68 ps for a dispersive flatband, a value typically achieved in high-quality microcavity samples, to a remarkable τ = 459 ps in a flatband with a dispersiveness below the polarion linewidth. Corresponding to this drastic increase of the first order coherence time, a decrease of the second order temporal coherence function from g(2)(τ =0) = 1.062 to g(2)(0) = 1.035 was observed. Next to laser-like, coherent emission, polariton condensates can form vortex lattices. In this work, two distinct vortex lattices that can form in polariton condensates in Kagome flatbands were revealed. Furthermore, chiral, superfluid edge transport was realised by breaking the spatial symmetry through a localised excitation spot. This chirality was related to a change in the vortex orientation at the edge of the lattice and thus opens the path towards further investigations of symmetry breaking and chiral superfluid transport in Kagome lattices. 
Arguably the most influential concept in solid-state physics of the recent decades is the idea of topological order that has also provided a new degree of freedom to control the propagation of light. Therefore, in chapter 6, the interplay of topologically non-trivial band structures with polaritons, polariton condensates and lasing was emphasised. Firstly, a two-dimensional exciton-polariton topological insulator based on a honeycomb lattice was realised. Here, a topologically non-trivial band gap was opened at the Dirac points through a combination of TE-TM splitting of the photonic mode and Zeeman splitting of the excitonic mode. While the band gap is too small compared to the linewidth to be observed in the linear regime, the excitation of polariton condensates allowed to observe the characteristic, topologically protected, chiral edge modes that are robust against scattering at defects as well as lattice corners. This result represents a valuable step towards the investigation of non-linear and non-Hermitian topological physics, based on the inherent gain and loss of microcavities as well as the ability of polaritons to interact with each other. Apart from fundamental interest, the field of topological photonics is driven by the search of potential technological applications, where one direction is to advance the development of lasers. In this work, the starting point towards studying topological lasing was the Su-Schrieffer-Heeger (SSH) model, since it combines a simple and well-understood geometry with a large topological gap. The coherence properties of the topological edge defect of an SSH chain was studied in detail, revealing a promising degree of second order temporal coherence of g(2)(0) = 1.07 for a microlaser with a diameter of only d = 3.5 µm. In the context of topological lasing, the idea of using a propagating, topologically protected mode to ensure coherent coupling of laser arrays is particularly promising. Here, a topologically non-trivial interface mode between the two distinct domains of the crystalline topological insulator (CTI) was realised. After establishing selective lasing from this mode, the coherence properties were studied and coherence of a full, hexagonal interface comprised of 30 vertical-cavity surface-emitting lasers (VCSELs) was demonstrated. This result thus represents the first demonstration of a topological insulator VCSEL array, combining the compact size and convenient light collection of vertically emitting lasers with an in-plane topological protection. 
Finally, in chapter 7, an approach towards engineering the band structures of Lieb and honeycomb lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites within each unit cell was presented. For Lieb lattices, this technique opens up a path towards controlling the coupling of a flatband to dispersive bands and could enable a detailed study of the influence of this coupling on the polariton flatband states. In an unbalanced honeycomb lattice, a quantum valley Hall boundary mode between two distinct, unbalanced honeycomb domains with permuted sites in the unit cells was demonstrated. This boundary mode could serve as the foundation for the realisation of a polariton quantum valley Hall effect with a truly topologically protected spin based on vortex charges. Modifying polariton lattices by unbalancing the eigenenergies of the sites that comprise a unit cell was thus identified as an additional, promising path for the future development of polariton lattice simulators.
N2  - Die Faszination von Exziton-Polaritonen (Polaritonen) basiert auf der einzigartigen Kombination aus technologischer Kontrolle über die III-V Halbleiterplattform und umfassendem spektroskopischen Zugang zu polaritonischen Zuständen, die aufgrund ihrer inhärenten Nichtlinearität und vielfältigen Observablen, wie zum Beispiel Real- und Fourierraumspektren, Pseudospin und Kohärenz, Zugang zu diversen offenen Fragen und komplexen physikalischen Phänomenen bieten. Im Fokus dieser Arbeit lag die Weiterentwicklung von Polaritongittern als Simulatoren für diverse physikalische Phänomene. Dabei wurde insbesondere die das kohärente, Laser-artige Licht, das von Polaritonkondensaten ausgesendet wird, untersucht. Die Arbeit beginnt mit einer kurzen Zusammenfassung der für das Verständnis relevanten physikalischen Grundlagen in Kapitel 2, gefolgt von einer Beschreibung der Probenherstellung sowie der spektroskopischen Methoden, die für die Untersuchung der polaritonischen Gitter verwendet wurden, in Kapitel 3. Hier wurde insbesondere die Implementierung eines Spatial Light Modulators für die Erzeugung beliebig definierbarer Anregungsmuster präsentiert. 
Diese Arbeit basiert auf der Fähigkeit, Einschlusspotentiale in Form von Mikrotürmchen oder Mikrofallen für Polaritonen zu erzeugen, die zu einem diskretisierten Modenspektrum führen. Wird nun ein Gitter aus solchen Türmchen oder Fallen hergestellt, führt die Kopplung zwischen benachbarten Gitterpositionen zur Ausbildung von Bandstrukturen. Die Ausbildung einer solchen Bandstruktur wurde in Kapitel 4 anhand von Streifen eines Honigwabengitters veranschaulicht. Dabei konnte der Übergang vom diskreten Energiespektrum einer eindimensionalen Kette bis hin zur vollständig ausgebildeten Bandstruktur eines Honigwabengitters dargestellt werden. Diese systematische Untersuchung ermöglicht das gezielte Design neuer, komplizierterer Gittergeometrien, die aus verschiedenen Domänen bestehen, da gezeigt werden konnte, dass eine Domänengröße von sechs Einheitszellen ausreicht, um eine Bandstruktur zu erzeugen. Neben der Ausbildung von Bandstrukturen in Gittern ist das Phänomen der Polaritonkondensation, das zur Emission von kohärenter Strahlung führt, besonders spannend, da es in direktem Bezug zu möglichen technologischen Anwendungen als Laser steht. Da sich der Kondensationsprozess in einem Gitter grundsätzlich vom Kondensationsprozess in einer planaren Kavität unterscheidet, wurde dieser detailliert untersucht. Hierbei wurde insbesondere der Einfluss des Anregungslasers, der Verstimmung zwischen Exziton und Photon, sowie des reduzierten Fallenabstandes, der einen wichtigen Parameter im Design neuer Gitter darstellt, untersucht. Im Rahmen dieser Untersuchung konnte die Polaritonkondensation in mehrere Bänder nachgewiesen werden. Außerdem wurde selektive Kondensation in ein gewünschtes Band durch die Wahl einer geeigneten Verstimmung zwischen Exziton und Photon erreicht. Abschließend konnte eine Verringerung der Kondensationsschwelle in einem Gitter gegenüber einer planaren Kavität nachgewiesen werden. 
Ein bemerkenswertes Phänomen, das zum Beispiel in den Bandstrukturen von Lieb- und Kagomegittern auftritt, sind Flachbänder, deren Einfluss auf Polaritonen und Polaritonkondensate, insbesondere in Bezug zu ihren Kohärenzeigenschaften, in Kapitel 5 untersucht wurde. Abweichungen von einem Gittersimulator, der sich mit einem Tight Binding Modell, das nur Kopplung zwischen nächsten Nachbarn berücksichtigt, beschreiben lässt, führen dazu, dass Flachbänder entlang bestimmter Richtungen in der Brillouinzone dispersiv werden. Mit einer Untersuchung des Einflusses des reduzierten Fallenabstandes auf Flachbänder konnte technologische Kontrolle über diese Dispersivität gezeigt werden. Da die Kopplung zwischen übernächsten Nachbarn mit steigendem Abstand zwischen den Fallen stark abnimmt, lassen sich die Flachbänder in den S Bändern von Lieb und Kagomegittern von dispersiven in nahezu perfekte Flachbänder, deren Bandbreite in der Größenordnung der polaritonischen Linienbreite liegt, überführen, indem der reduzierte Fallenabstand vergrößert wird. Zusätzlich zur technologischen Kontrolle über die Dispersivität der Flachbänder wurde die kontrollierte Anregung von großen Flachbandkondensaten, Kondensaten in einzelnen Compact Localised States (CLS), sowie die resonante Anregung von Polaritonen in einem Lieb Flachband demonstriert. Insbesondere für das Flachband des Kagomegitters konnte selektive Kondensation realisiert werden. Diese Kombination aus technologischer und spektroskopischer Kontrolle verdeutlicht das Potential polaritonischer Gittersimulatoren. Aufbauend auf der Kontrolle über polaritonische Flachbänder wurde die Kohärenz von Flachbandkondensaten untersucht. In diesem Zusammenhang erwies sich die Kombination aus der Möglichkeit, die Dispersivität des Flachbandes zu beeinflussen, und der selektiven Kondensation als besonders wertvoll. Durch interferometrische Messungen an großen Flachbandkondensaten konnte gezeigt werden, dass sich die Kohärenz mit abnehmender Dispersivität des Flachbandes auf einen CLS lokalisiert. Außerdem konnte eine Steigerung der Kohärenzzeit von τ = 68 ps, einem für hochwertige Mikrokavitäten typischen Wert, in einem dispersiven Flachband zu beeindruckenden τ = 459 ps in einem Flachband, dessen Dispersivität kleiner als die polaritonische Linienbreite ist, gezeigt werden. Passend zu dieser deutlichen Steigerung der Kohärenzzeit erster Ordnung konnte eine Abnahme der Kohärenzfunktion zweiter Ordnung von g(2)(τ =0) = 1.062 zu g(2)(0) = 1.035 beobachtet werden. Neben den mit einem Laser vergleichbaren Emissionseigenschaften können Polaritonkondensate Gitter aus Vortices ausbilden. Im Rahmen dieser Arbeit wurden zwei verschiedene Vortexgitter nachgewiesen. Außerdem konnte durch Symmetriebrechung mittels eines lokalisierten Anregungslasers chiraler, superfluider Randtransport realisiert werden. Diese Chiralität konnte mit einer Änderung der Vortexausrichtung am Rand des Gitters in Verbindung gebracht werden und motiviert daher weitere Untersuchungen zu Symmetriebrechung und chiralem, superfluidem Transport in Kagomegittern. 
Das vermutlich einflussreichste Konzept in der Festkörperphysik der letzten Jahrzehnte ist die Idee einer topologischen Ordnung, die auch einen neuen Freiheitsgrad zur Kontrolle der Propagation von Licht bietet. Daher wurde in Kapitel 6 das Zusammenspiel aus topologisch nicht-trivialen Bandstrukturen und Polaritonen, Polarionkondensaten und Lasern untersucht. Zuerst wurde ein zweidimensionaler, polaritonischer, topologischer Isolator, der auf einem Honigwabengitter basiert, realisiert. Die topologisch nicht-triviale Bandlücke wurde durch eine Kombination aus einer Modenaufspaltung zwischen der transversal-elektrischen und der transversal-magnetischen Komponente der photonischen Mode sowie einer Zeeman-Aufspaltung der exzitonischen Mode geöffnet. Da die Bandlücke zu klein gegenüber der Linienbreite war, um sie im linearen Regime nachweisen zu können, wurden Polaritonkondensate angeregt. Mithilfe dieser Kondensate war es möglich, die charakteristischen, topologisch geschützten, chiralen Randmoden, die robust gegenüber Rückstreuung und Streuung an Defekten sowie den Ecken des Gitters sind, nachzuweisen. Dieses Ergebnis stellt einen wichtigen Schritt in der Untersuchung nicht-linearer und nichthermitischer, topologischer Systeme dar, da Mikrokavitäten eine intrinsische Nichtlinearität aufweisen und Polaritonen untereinander wechselwirken können. Neben dem fundamentalen Interesse wird das Feld der topologischen Photonik vor allem durch die Suche nach neuen technologischen Anwendungen vorangetrieben. Eine wichtige Forschungsrichtung ist dabei die Entwicklung neuer Laser. In dieser Arbeit war der Ausgangspunkt für die Untersuchung topologischer Laser das Su-Schrieffer-Heeger (SSH) Modell, da es eine einfache, gut verstandene Geometrie und eine große topologische Bandlücke bietet. Die Kohärenzeigenschaften des topologischen Randdefekts in SSH Ketten wurden detailliert untersucht und ein Grad zeitlicher Kohärenz zweiter Ordnung von g(2)(0) = 1.07 erreicht. Für einen Mikrolaser mit einem Durchmesser von nur d = 3.5 µm ist dies ein sehr gutes Ergebnis. Besonders vielversprechend in der Entwicklung topologischer Laser ist allerdings vor allem die kohärente Kopplung vieler Laser mithilfe einer propagierenden, topologisch geschützten Mode. Um diese Kopplung zu untersuchen wurde eine topologisch nichttriviale Mode an der Domänengrenze zwischen zwei kristallinen, topologischen Isolatoren implementiert. Nachdem selektive Laseremission aus dieser Mode erreicht wurde, wurden insbesondere die Kohärenzeigenschaften untersucht. Dabei konnte gezeigt werden, dass 30 vertikal emittierende Laser, die eine geschlossene, hexagonale Domänengrenze bilden, kohärent gekoppelt werden können. Dieser erste Nachweis eines topologisch geschützten Gitters aus gekoppelten, vertikal emittieren Lasern überzeugt vor allem durch die Kombination der kompakten Bauform und einfachen Bündelung der Laseremission vertikal emittierenden Laser mit dem topologischen Schutz der zwischen den Lasern propagierenden Mode. 
Zuletzt wurde in Kapitel 7 untersucht, wie die Bandstrukturen von Lieb- und Honigwabengittern durch die Einführung eines Energieunterschiedes zwischen den Untergittern gezielt verändert werden können. In Liebgittern bietet diese Technologie einen Weg, die Kopplungsumgebung des Flachbandes drastisch zu ändern, da das Flachband nun nicht mehr einen Dirac-Punkt mit linearer Dispersion schneidet, sondern ein dispersives Band an einem Potentialminimum berührt. In Honigwabengittern konnte eine Quantum Valley Hall Mode an der Grenzfläche zwischen zwei Domänen mit invertiertem Untergitter gezeigt werden. Diese Mode könnte die Basis für die Entwicklung eines Quantum Valley Hall Zustandes mit echtem topologischem Schutz auf der Basis von Vortizes bilden. Eine Variation der Eigenenergien der Untergitter stellt also einen vielversprechenden, weiteren Weg für zukünftige Experimente mit polaritonischen Gittersimulatoren dar.
KW  - Exziton-Polariton
KW  - Topologie
KW  - Laser
KW  - Fourier-Spektroskopie
KW  - Topologische Laser
KW  - Gittersimulator
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-259008
ER  - 
TY  - THES
A1  - Tcakaev, Abdul-Vakhab
T1  - Soft X-ray Spectroscopic Study of Electronic and Magnetic Properties of Magnetic Topological Insulators
T1  - Spektroskopische Untersuchung der elektronischen und magnetischen Eigenschaften magnetischer topologischer Isolatoren mit weicher Röntgenstrahlung
N2  - After the discovery of three-dimensional topological insulators (TIs), such as tetradymite chalcogenides Bi$_2$Se$_3$, Bi$_2$Te$_3$ and Sb$_2$Te$_3$ – a new class of quantum materials characterized by their unique surface electronic properties – the solid state community got focused on topological states that are driven by strong electronic correlations and magnetism. An important material class is the magnetic TI (MTI) exhibiting the quantum anomalous Hall (QAH) effect, i.e. a dissipationless quantized edge-state transport in the absence of external magnetic field, originating from the interplay between ferromagnetism and a topologically non-trivial band structure. The unprecedented opportunities offered by these new exotic materials open a new avenue for the development of low-dissipation electronics, spintronics, and quantum computation. However, the major concern with QAH effect is its extremely low onset temperature, limiting its practical application. To resolve this problem, a comprehensive understanding of the microscopic origin of the underlying ferromagnetism is necessary. 

V- and Cr-doped (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ are the two prototypical systems that have been widely studied as realizations of the QAH state. Finding microscopic differences between the strongly correlated V and Cr impurities would help finding a relevant model of ferromagnetic coupling and eventually provide better control of the QAH effect in these systems. Therefore, this thesis first focuses on the V- and Cr-doped (Bi,Sb)$_2$Te$_3$ systems, to better understand these differences. Exploiting the unique capabilities of x-ray absorption spectroscopy and magnetic circular dichroism (XAS/XMCD), combined with advanced modeling based on multiplet ligand-field theory (MLFT), we provide a detailed microscopic insight into the local electronic and magnetic properties of these systems and determine microscopic parameters crucial for the comparison with theoretical models, which include the $d$-shell filling, spin and orbital magnetic moments. We find a strongly covalent ground state, dominated by the superposition of one and two Te-ligand-hole configurations, with a negligible contribution from a purely ionic 3+ configuration. Our findings indicate the importance of the Te $5p$ states for the ferromagnetism in (Bi, Sb)$_2$Te$_3$ and favor magnetic coupling mechanisms involving $pd$-exchange. Using state-of-the-art density functional theory (DFT) calculations in combination with XMCD and resonant photoelectron spectroscopy (resPES), we reveal the important role of the $3d$ impurity states in mediating magnetic exchange coupling. Our calculations illustrate that the kind and strength of the exchange coupling varies with the impurity $3d$-shell occupation. We find a weakening of ferromagnetic properties upon the increase of doping concentration, as well as with the substitution of Bi at the Sb site. Finally, we qualitatively describe the origin of the induced magnetic moments at the Te and Sb sites in the host lattice and discuss their role in mediating a robust ferromagnetism based on a $pd$-exchange interaction scenario. Our findings reveal important clues to designing  higher $T_{\text{C}}$ MTIs.

Rare-earth ions typically exhibit larger magnetic moments than transition-metal ions and thus promise the opening of a wider exchange gap in the Dirac surface states of TIs, which is favorable for the realization of the high-temperature QAH effect. Therefore, we have further focused on Eu-doped Bi$_2$Te$_3$ and scrutinized whether the conditions for formation of a substantial gap in this system are present by combining spectroscopic and bulk characterization methods with theoretical calculations. For all studied Eu doping concentrations, our atomic multiplet analysis of the $M_{4,5}$ x-ray absorption and magnetic circular dichroism spectra reveals a Eu$^{2+}$ valence, unlike most other rare earth elements, and confirms a large magnetic moment. At temperatures below 10 K, bulk magnetometry indicates the onset of antiferromagnetic ordering. This is in good agreement with DFT results, which predict AFM interactions between the Eu impurities due to the direct overlap of the impurity wave functions. Our results support the notion of antiferromagnetism coexisting with topological surface states in rare-earth doped Bi$_2$Te$_3$ and corroborate the potential of such doping to result in an antiferromagnetic TI with exotic quantum properties. 

The doping with impurities introduces disorder detrimental for the QAH effect, which may be avoided in stoichiometric, well-ordered magnetic compounds. In the last part of the thesis we have investigated the recently discovered intrinsic magnetic TI (IMTI) MnBi$_6$Te$_{10}$, where we have uncovered robust ferromagnetism with $T_{\text{C}} \approx 12$ K and connected its origin to the Mn/Bi intermixing. Our measurements reveal a magnetically intact surface with a large moment, and with FM properties similar to the bulk, which makes MnBi$_6$Te$_{10}$ a promising candidate for the QAH effect at elevated temperatures. Moreover, using an advanced ab initio MLFT approach we have determined the ground-state properties of Mn and revealed a predominant contribution of the $d^5$ configuration to the ground state, resulting in a $d$-shell electron occupation $n_d = 5.31$ and a large magnetic moment, in excellent agreement with our DFT calculations and the bulk magnetometry data. Our results together with first principle calculations based on the DFT-GGA$+U$, performed by our collaborators, suggest that carefully engineered intermixing plays a crucial role in achieving a robust long-range FM order and therefore could be the key for achieving enhanced QAH effect properties.

We expect our findings to aid better understanding of MTIs, which is essential to help increasing the temperature of the QAH effect, thus facilitating the realization of low-power electronics in the future.
N2  - Nach der Entdeckung von dreidimensionalen topologischen Isolatoren (TIs), einer neuen Klasse von Quantenmaterialien, die sich durch ihre einzigartigen elektronischen Oberflächeneigenschaften auszeichnen – und zu denen beispielsweise die Tetradymit-Di\-chal\-kogenide Bi2Se3, Bi2Te3 und Sb2Te3 gehören –, gerieten zunehmend topologische Zustände, deren Eigenschaften von starken elektronische Korrelationen und Magnetismus bestimmt werden, in den Fokus aktueller Festkörperforschung. Eine wichtige Materialklasse bilden die magnetischen TI (MTI), die einen quantenanomalen Hall-Effekt (QAH) aufweisen, d.h. eine dissipationsfreie, quantisierte Randzustandsleitfähigkeit in Abwesenheit eines externen Magnetfeldes, die aus dem Zusammenspiel von Ferromagnetismus und einer topologisch nicht-trivialen Bandstruktur resultiert. Die beispiellosen Möglichkeiten, die solche neuen, exotischen Materialien bieten, eröffnen einen neuen Weg für die Entwicklung von Elektronik mit geringer Verlustleistung, sowie von Spintronik und von Quanten\-com\-pu\-tern. Das Hauptproblem des QAH-Effekts ist jedoch die extrem niedrige Temperatur, bei der er auftritt, was seine praktische Anwendung einschränkt. Um dieses Problem zu lösen, ist ein umfassendes Verständnis des mikroskopischen Ursprungs des zugrunde liegenden Ferromagnetismus erforderlich. V- und Cr-dotiertes (Bi,Sb)2Te3 sind die beiden prototypischen Systeme, die als Realisierungen des QAH-Zustands umfassend untersucht wurden. Die Suche nach mikro\-skopischen Unterschieden zwischen den stark korrelierten V- und Cr-Dotieratomen würde helfen, ein relevantes Modell für die ferromagnetische Kopplung zu finden und schließlich eine bessere Kontrolle des QAH-Effekts in diesen Systemen zu ermöglichen. Daher konzentriert sich diese Arbeit zunächst auf die V- und Cr-dotierten (Bi,Sb)2Te3-Systeme, um diese Unterschiede besser zu verstehen. Unter Ausnutzung der einzigartigen Möglich\-keiten der Röntgenabsorptionsspektroskopie und des magnetischen Zirkulardichroismus (XAS/XMCD), kombiniert mit fortschrittlicher Modellierung auf der Grundlage der Multiplett-Liganden-Feld-Theorie (MLFT), geben wir einen detaillierten mi\-kro\-sko\-pi\-schen Einblick in die lokalen elektronischen und magnetischen Eigenschaften dieser Systeme und bestimmen mikroskopische Parameter, die für den Vergleich mit theoretischen Modellen entscheidend sind. Wir finden einen stark kovalenten Grundzustand, der von der Überlagerung von Ein- und Zwei-Te-Liganden-Loch-Konfigurationen dominiert wird, mit einem vernachlässigbaren Beitrag einer rein ionischen 3+ Konfiguration. Unsere Ergebnisse weisen auf die Bedeutung der Te 5p$−Zustände für den Ferromagnetismus in(Bi,Sb)\(2Te3 hin und deuten auf magnetische Kopplungsmechanismen mit pd-Austausch hin. Unter Verwendung modernster Dichtefunktionaltheorie (DFT)-Rechnungen in Kombination mit XMCD und resonanter Photoelektronenspektroskopie (resPES) demonstrieren wir die wichtige Rolle der 3d-Dotieratomzustände bei der Vermittlung der magnetischen Austauschkopplung. Unsere Berechnungen zeigen, dass die Art und Stärke der Austauschkopplung mit der 3d-Schalenbesetzung der Dotieratome variiert. Wir stellen eine Abschwächung der ferromagnetischen Eigenschaften bei Erhöhung der Dotierungskonzentration fest, ebenso wie bei Substitution von Bi an der Sb-Stelle. Schließlich beschreiben wir qualitativ den Ursprung der induzierten magnetischen Momente an den Te- und Sb-Stellen im Wirtsgitter und diskutieren ihre Rolle bei der Vermittlung eines robusten Ferromagnetismus auf der Grundlage des pd$−Austauschwechselwirkungsszenarios. Unsere Ergebnisse liefern wichtige Anhaltspunkte für die Entwicklung von MTIsmithöherem\(TC. Seltenerdionen weisen typischerweise größere magnetische Momente auf als Über\-gangsmetall-Ionen und legen daher die Öffnung einer größeren Austausch\-lücke in den Dirac-Ober\-flächenzuständen von TIs nahe, was für den Hochtemperatur-QAH-Effekt günstig ist. Daher haben wir uns weiter auf Eu-dotiertes Bi2Te3 konzentriert und untersucht, ob die Bedingungen für die Bildung einer substantiellen Lücke in diesem System gegeben sind, indem wir spektroskopische und Bulk-Charakterisierungsmethoden mit theoretischen Berechnungen kombiniert haben. Für alle untersuchten Eu\hyp{}Dotierungs\-kon\-zen\-trationen zeigt unsere atomare Multiplettanalyse der M4,5-Röntgenabsorptions- und der magnetischen Zirkulardichroismus-Spektren eine Eu2+-Valenz, im Gegensatz zu den meisten anderen Seltenen Erden, und bestätigt ein großes magnetisches Moment. Bei Temperaturen unter 10 K zeigt die Magnetometrie das Einsetzen einer antiferromagnetischen Ordnung an. Dies steht in guter Übereinstimmung mit DFT-Ergebnissen, die AFM-Wechselwirkungen zwischen den Eu-Dotieratomen aufgrund des direkten Überlapps der Wellenfunktionen der Dotieratome vorhersagen. Unsere Ergebnisse unterstützen die Annahme von Antiferromagnetismus, der mit topologischen Oberflächenzuständen in mit Seltenerdatomen dotiertem Bi2Te3 koexistiert, und bestätigen das Potenzial einer solchen Dotierung, einen antiferromagnetischen TI mit exotischen Quanteneigenschaften zu erzeugen. Dotierung führt zu einer für den QAH-Effekt nachteiligen Unordnung, die in stöchiometrischen, gut geordneten magnetischen Verbindungen vermieden werden kann. Im letzten Teil der Arbeit haben wir den kürzlich entdeckten, intrinsischen magnetischen TI (IMTI) MnBi6Te10 untersucht, in dem wir robusten Ferromagnetismus mit TC≈12 K beobachtet und seinen Ursprung mit Mn/Bi-Antilagendefekte (Substitution von Mn auf Bi-Plätzen und umgekehrt) in Verbindung gebracht haben. Unsere Messungen zeigen eine magnetisch intakte Oberfläche mit einem großen Moment und mit FM-Eigenschaften, die denen im Inneren des Materials ähnlich sind, was MnBi6Te10 zu einem vielversprechenden Kandidaten für den QAH-Effekt bei erhöhten Temperaturen macht. Darüber hinaus haben wir mit Hilfe eines fortgeschrittenen ab initio MLFT-Ansatzes die Grundzustandseigenschaften von Mn bestimmt und einen vorherrschenden Beitrag der d5-Konfiguration zum Grundzustand festgestellt, was zu einer d-Schalen-Elektronenbesetzung nd=5.31 und einem großen magnetischen Moment führt, in hervorragender Übereinstimmung mit unseren DFT-Berechnungen und den Daten der Magnetometrie. Unsere Ergebnisse, kombiniert mit den auf DFT-GGA+U basierenden First-Principle-Berechnungen, die von Kollegen durchgeführt wurden, deuten darauf hin, dass sorgfältig herbeigeführte Antilagendefekte eine entscheidende Rolle bei der Erzielung einer robusten langreichweitigen FM-Ordnung spielen und daher der Schlüssel zur Er\-zie\-lung verbesserter QAH\hyp{}Eigenschaften sein könnten. Wir erwarten, dass unsere Ergebnisse zu einem besseren Verständnis von MTIs beitragen werden, was wiederum die Erhöhung der Temperatur des QAH-Effekts und damit die Realisierung von Low-Power-Elektronik in der Zukunft erleichtern wird.
KW  - Topologischer Isolator
KW  - Röntgenspektroskopie
KW  - x-ray spectroscopy
KW  - topological insulators
KW  - XMCD
Y1  - 2023
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-303786
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kißner, Katharina
T1  - Manipulation of electronic properties in strongly correlated Cerium-based surface alloys
T1  - Manipulation der elektronischen Eigenschaften in stark korrelierten Cer-basierten Oberflächenlegierungen
N2  - Photoelectron spectroscopy proves as a versatile tool for investigating various aspects of the electronic structure in strongly correlated electron systems. Influencing the manifestation of strong correlation in Ce-based surface alloys is the main task of this work. It is shown, that the manifestation of the Kondo ground state is influenced by a multitude of parameters such as the choice of the metal binding partner in binary Ce compounds, the surface alloy layer thickness and accompanying variations in the lattice structure as well as the interfaces to substrate or vacuum. Gaining access to these parameters allows to directly influence essential state variables, such as the f level occupancy nf or the Kondo temperature TK.
The center of this work are the intermetallic thin films of CePt5/Pt(111) and CeAgx/Ag(111). By utilizing different excitation energies, photoemission spectroscopy provides access to characteristic features of Kondo physics in the valence band, such as the Kondo resonance and its spin-orbit partner at the Fermi level, as well as the multiplet structure of the Ce 3d core levels. In this work both approaches are applied to CePt5/Pt(111) to determine nf and TK for a variety of surface alloy layer thicknesses. A temperature dependent study of the Ce 3d core levels allows to determine the systems TK for the different layer thicknesses. This leads to TK ≈200–270K in the thin layer thickness regime and TK >280K for larger layer thicknesses. These results are confirmed by fitting the Ce 3d multiplet based on the Gunnarsson-Schönhammer formalism for core level spectroscopy and additionally by valence band photoemission spectra of the respective Kondo resonances. The influence of varying layer thickness on the manifestation of strong correlation is subsequently studied for the surface alloy CeAgx/Ag(111). Furthermore, the heavy element Bi is added, to investigate the effects of strong spin-orbit coupling on the electronic structure of the surface alloy.
N2  - Photoelektronenspektroskopie eignet sich auf vielerlei Weise verschiedenste Aspekte der elektronischen Struktur stark korrelierter Elektronensysteme zu untersuchen. Die vorliegende Arbeit zeigt, wie gezielt Einfluss auf die Ausprägung starker Korrelation in Cer-basierten Oberflächenlegierungen genommen werden kann. Die Ausbildung des Kondo-Grundzustandes wird dabei durch eine Vielzahl von Parametern beeinfluss. Diese sind beispielsweise der metallische Bindungspartner, die Schichtdicke der Legierung und die dadurch bedingten Änderungen der Gitterstruktur sowie die Grenzen zu Substrat oder Vakuum. Durch Kontrolle dieser Parameter hat man die Möglichkeit, entscheidende Zustandsgrößen des Systems, wie die effektive Besetzung des f-Niveaus nf oder die Kondo-Temperatur TK, zu beeinflussen. Im Zentrum dieser Arbeit stehen dabei die intermetallischen Verbindungen CePt5/Pt(111) und CeAgx/Ag(111).
Verschiedene Anregungsenergien bieten in der Photoemission Zugang zu den Merkmalen des Kondo-Effekts im Valenzband, aber auch in den Rumpfniveauspektren. Diese sind die Kondo-Resonanz und ihr Spin-Bahn-Partner nahe der Fermienergie sowie die Multiplettstruktur der Ce 3d Rumpfniveaus. Es werden beide Ansätze verfolgt um, für eine Reihe verschiedener Schichtdicken von CePt5/Pt(111), nf und TK zu bestimmen.
Die Auswertung der Ce 3d-Spektren in Abhängigkeit der Probentemperatur ermöglicht zudem die Bestimmung von TK. Für dünne Schichten CePt5/Pt(111) ergibt sich TK≈200–270K, für dickere Schichten TK>280K. Diese Ergebnisse wurden durch Simulation der Spektren auf Basis des Gunnarsson-Schönhammer-Formalismus für Rumpfniveauspektren sowie durch Analyse der Kondo-Resonanz im Valenzband bestätigt.
Durch Variation der Schichtdicke des CeAgx-Films, wurde auch im Materialsystem CeAgx/Ag(111) Einfluss auf die elektronische Struktur genommen. Zudem wird die Oberflächenlegierung mit dem schweren Element Bi versetzt, um das Zusammenspiel von Spin-Bahn-Kopplung und starker Korrelation zu untersuchen.
KW  - Korrelation
KW  - Cerlegierung
KW  - Photoelektronenspektroskopie
KW  - Röntgen-Photoelektronenspektroskopie
KW  - Ultraviolett-Photoelektronenspektroskopie
KW  - correlation
KW  - CePt5
KW  - XPS
KW  - Gunnarsson Schönhammer
KW  - Kondo
KW  - Oberflächenlegierung
Y1  - 2022
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-273067
ER  - 
TY  - THES
A1  - Matthaiakakis, Ioannis
T1  - Hydrodynamics in Solid State Systems and the AdS/CFT correspondence
T1  - Hydrodynamik in Festkörper-Systemen und die AdS/CFT-Korrespondenz
N2  - We employ the AdS/CFT correspondence and hydrodynamics to analyze the transport properties of \(2+1\) dimensional electron fluids. In this way, we use theoretical methods from both condensed matter and high-energy physics to derive tangible predictions that are directly verifiable in experiment. 

The first research topic we consider is strongly-coupled electron fluids. Motivated by early results by Gurzhi on the transport properties of weakly coupled fluids, we consider whether similar properties are manifest in strongly coupled fluids. More specifically, we focus on the hydrodynamic tail of the Gurzhi effect: A decrease in fluid resistance with increasing temperature due to the formation of a Poiseuille flow of electrons in the sample. We show that the hydrodynamic tail of the Gurzhi effect is also realized in strongly coupled and fully relativistic fluids, but with modified quantitative features. Namely, strongly-coupled fluids always exhibit a smaller resistance than weakly coupled ones and are, thus, far more efficient conductors. We also suggest that the coupling dependence of the resistance can be used to measure the coupling strength of the fluid. In view of these measurements, we provide analytical results for the resistance as a function of the shear viscosity over entropy density \(\eta/s\) of the fluid. \(\eta/s\) is itself a known function of the coupling strength in the weak and infinite coupling limits. 

In further analysis for strongly-coupled fluids, we propose a novel strongly coupled Dirac material based on a kagome lattice, Scandium-substituted Herbertsmithite (ScHb). The large coupling strength of this material, as well as its Dirac nature, provides us with theoretical and experimental access to non-perturbative relativistic and quantum critical physics. A highly suitable method for analyzing such a material's transport properties is the AdS/CFT correspondence. Concretely, using AdS/CFT we derive an estimate for ScHb's \(\eta/s\) and show that it takes a value much smaller than that observed in weakly coupled materials.  In turn, the smallness of \(\eta/s\) implies that ScHb's Reynolds number, \(Re\), is large. In fact, \(Re\) is large enough for turbulence, the most prevalent feature of fluids in nature, to make its appearance for the first time in electronic fluids. 

Switching gears, we proceed to the second research topic considered in this thesis: Weakly coupled parity-breaking electron fluids. More precisely, we analyze the quantitative and qualitative changes to the classical Hall effect, for electrons propagating hydrodynamically in a lead. Apart from the Lorentz force, a parity-breaking fluid's motion is also impacted by the Hall-viscous force; the shear-stress force induced by the Hall-viscosity. We show that the interplay of these two forces leads to a hydrodynamic Hall voltage with non-linear dependence on the magnetic field. More importantly, the Lorentz and Hall-viscous forces become equal at a non-vanishing magnetic field, leading to a trivial hydrodynamic Hall voltage. Moreover, for small magnetic fields we provide analytic results for the dependence of the hydrodynamic Hall voltage on all experimentally-tuned parameters of our simulations, such as temperature and density. These dependences, along with the zero of the hydrodynamic Hall voltage, are distinct features of hydrodynamic transport and can be used to verify our predictions in experiments. 

Last but not least, we consider how a distinctly electronic property, spin, can be included into the hydrodynamic framework. In particular, we construct an effective action for non-dissipative spin hydrodynamics up to first order in a suitably defined derivative expansion. We also show that interesting spin-transport effects appear at second order in the derivative expansion. Namely, we show that the fluid's rotation polarizes its spin. This is the hydrodynamic manifestation of the Barnett effect and provides us with an example of hydrodynamic spintronics.

To conclude this thesis, we discuss several possible extensions of our research, as well as proposals for research in related directions.
N2  - Wir verwenden die AdS/CFT-Korrespondenz und die Theorie der Hydrodynamik, um die Transporteigenschaften von \(2+1\)-dimensionalen Elektronisches Flüssigkeiten zu untersuchen. Somit nutzen wir sowohl theoretische Methoden der Fest\-körper\-physik als auch der Hochenergiephysik, um konkrete Vorhersagen zu treffen, die unmittelbar in Experimenten verifiziert werden können.

Zunächst betrachten wir das Forschungsfeld der stark gekoppelten Elektronischen Flüssigkeiten. Motiviert durch die frühen Ergebnisse für die Transporteigenschaften schwach gekoppelter Flüssigkeiten von Gurzhi untersuchen wir, ob sich ähnliche Eigenschaften auch in stark gekoppelten Flüssigkei\-ten manifestieren. Dabei konzentrieren wir uns insbesondere auf den hydrodynamischen Teil des Gurzhi-Effekts, in welchem der Widerstand der Flüssigkeit mit steigender Temperatur sinkt, weil sich im untersuchten Material ein Poiseuillefluss von Elektronen bildet. Wir zeigen, dass dieser hydrodynamische Teil des Gurzhi-Effekts auch in stark gekoppelten und vollständig relativistischen Flüssigkeiten realisiert ist, einige Eigenschaften sich hierbei aber quantitativ unterscheiden. Insbesondere zeigen stark gekoppelte Flüssigkeiten immer kleinere Widerstände als schwach gekoppelte, und sind damit wesentlich effektivere Leiter. Wir schlagen darüber hinaus vor, die Abhängigkeit des Widerstands von der Kopplung zu nutzen, um die Kopplungsstärke der Flüssigkeit zu messen. Für diese Messungen stellen wir analytische Ergebnisse bereit, welche den Widerstand als Funktion des Quotienten aus Scherviskosität und Entropiedichte \(\eta/s\) der Flüssigkeit ausdrücken. Dabei ist \(\eta/s\) selbst eine bekannte Funktion der Kopplungsstärke in den Grenzfällen schwacher und unendlich starker Kopplung.

In einer weiteren Untersuchung stark gekoppelter Flüssigkeiten schlagen wir Scandium-substituiertes Herbertsmithit (ScHb) als neuartiges, stark gekoppeltes Diracmaterial vor, welches auf dem Kagome-Gitter basiert. Die hohe Kopplungsstärke und die Dirac-Eigenschaften dieses Materials vermitteln uns theoretischen und experimentellen Zugang zu nicht perturbativer relativistischer und quantenkritischer Physik. Um die Transporteigenschaften eines solchen Materials zu untersuchen, stellt die AdS/CFT-Korrespondenz eine hervorragend geeignete Methode dar. Konkret nutzen wir AdS/CFT, um eine Abschätzung von \(\eta/s\) in ScHb herzuleiten. Der so ermittelte Wert ist wesentlich kleiner als der entsprechende Messwert für schwach gekoppelte Materialien. Der kleine Wert von \(\eta/s\) wiederum impliziert, dass die Reynolds-Zahl \(Re\) in ScHb groß ist. Tatsächlich ist \(Re\) hinreichend groß, um erstmals Turbulenz in Elektronisches Flüssigkeiten beobachten zu können, ein Effekt, der auch in viele anderen Flüssigkeiten in der Natur vorkommt.

Wir gehen zum zweiten Forschungsthema über, welches in der vorliegenden Arbeit besprochen wird: schwach gekoppelte, paritätsbrechende  Elektronisches Flüssigkeiten. Wir betracthen die hydrodynamische Bewegung von Elektronen in einen zwei dimensionalen Kanal, und untersuchen die sich ergebenden quantitativen und qualitativen Änderungen gegenüber dem klassischen Hall-Effekt. Außer der Lorentzkraft ist die Bewegung einer paritätsbrechenden Flüss auch den Einflüssen der Hallviskositätskraft ausgesetzt, welche die von der Hall Viskosität induzierte Scherspannungskraft ist. Wir zeigen, dass das Wechselspiel dieser beiden Kräfte zu einer hydrodynamischen Hall-Spannung führt, die nicht linear vom magnetischen Feld abhängt. Noch wichtiger ist, dass Lorentz- sowie hallviskose Kraft für ein nicht verschwindendes Magnetfeld gleich werden und damit zu einer trivialen hydrodynamischen Hall-Spannung führen. Darüber hinaus geben wir für kleine Magnetfeldstärken analytische Ergebnisse an, die die Abhängigkeit der hydrodynamischen Hall-Spannung von allen experimentell festgelegten Parametern unserer Simulation, wie z.B. Temperatur und Dichte, beschreiben. Diese Abhängigkeiten sind zusammen mit der verschwindenden hydrodynamischen Hall-Spannung charakteristische Eigenschaften hydrodynamischen Transports und können daher verwendet werden, um unsere Vorhersagen experimentell zu verifizieren.

Zu guter Letzt untersuchen wir, wie eine charakteristische Eigenschaft von Elektronen, der Spin, in die hydrodynamische Theorie einbezogen werden kann. Dazu konstruieren wir eine effektive Wirkung, die nicht dissipative Spin-Hydrodynamik bis zur ersten Ordnung in einer geeigneten Ableitungsentwicklung beschreibt. Wir zeigen darüber hinaus, dass in zweiter Ordnung dieser Entwicklung interessante Spin-Transporteffekte auftreten. Dabei stellt sich heraus, dass die Rotation der Flüssigkeit seinen Spin polarisiert. Dies ist die hydrodynamische Manifestation des Barnett-Effekts, die als Beispiel für hydrodynamische Spintronics dient.

Zum Abschluss der vorliegenden Arbeit diskutieren wir mehrere mögliche Erweiterungen unserer Untersuchungen und unterbreiten Vorschläge für weitergehende Forschung in verschiedene Richtungen.
KW  - Hydrodynamics
KW  - Solid state physic
KW  - Electron hydrodynamics
KW  - AdS-CFT-Korrespondenz
Y1  - 2021
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-244390
ER  - 
TY  - THES
A1  - Bendias, Michel Kalle
T1  - Quantum Spin Hall Effect - A new generation of microstructures
T1  - Quantum Spin Hall Effekt - Eine neue Generation an Mikrostrukturen
N2  - The presented thesis summarizes the results from four and a half years of intense lithography development on (Cd,Hg)Te/HgTe/(Cd,Hg)Te quantum well structures. The effort was motivated by the unique properties of this topological insulator. Previous work from Molenkamp at al.\ has proven that the transport through such a 2D TI is carried by electrons with opposite spin, counter-propagating in 1D channels along the sample edge. However, up to this thesis, the length of quantized spin Hall channels has never been reported to exceed 4 µm. Therefore, the main focus was put on a reproducible and easy-to-handle fabrication process that reveals the intrinsic material parameters.

Every single lithography step in macro as well as microscopic sample fabrication has been re-evaluated. In the Development, the process changes have been presented along SEM pictures, microgaphs and, whenever possible, measurement responses.

We have proven the conventional ion milling etch method to damage the remaining mesa and result in drastically lower electron mobilities in samples of microscopic size.

The novel KI:I2:HBr wet etch method for macro and microstructure mesa fabrication has been shown to leave the crystalline structure intact and result in unprecedented mobilities, as high as in macroscopic characterization Hall bars. Difficulties, such as an irregular etch start and slower etching of the conductive QW have been overcome by concentration, design and etch flow adaptations. In consideration of the diffusive regime, a frame around the EBL write field electrically decouples the structure mesa from the outside wafer. As the smallest structure, the frame is etched first and guarantees a non-different etching of the conductive layer during the redox reaction. A tube-pump method assures reproducible etch results with mesa heights below 300 nm. The PMMA etch mask is easy to strip and leaves a clean mesa with no redeposition. From the very first attempts, to the final etch process, the reader has been provided with the characteristics and design requirements necessary to enable the fabrication of nearly any mesa shape within an EBL write field of 200 µm.

Magneto resistance measurement of feed-back samples have been presented along the development chronology of wet etch method and subsequent lithography steps. With increasing feature quality, more and more physics has been revealed enabling detailed evaluation of smallest disturbances. The following lithography improvements have been implemented. They represent a tool-box for high quality macro and microstructure fabrication on (CdHg)Te/HgTe of almost any kind.

    The optical positive resist ECI 3027 can be used as wet and as dry etch mask for structure sizes larger than 1 µm. It serves to etch mesa structures larger than the EBL write field.         
    The double layer PMMA is used for ohmic contact fabrication within the EBL write field. Its thickness allows to first dry etch the (Cd,Hg)Te cap layer and then evaporate the AuGe contact, in situ and self-aligned. Because of an undercut, up to 300 nm can be metalized without any sidewalls after the lift-off. An edge channel mismatch within the contact leads can be avoided, if the ohmic contacts are designed to reach close to the sample and beneath the later gate electrode.
    The MIBK cleaning step prior to the gate application removes PMMA residuals and thereby improves gate and potential homogeneity.
    The novel low HfO2-ALD process enables insulator growth into optical and EBL lift-off masks of any resolvable shape. Directly metalized after the insulator growth, the self-aligned method results in thin and homogeneous gate electrode reproducibly withholding gate voltages to +-10 V.
    The optical negative resist ARN 4340 exhibits an undercut when developed. Usable as dry etch mask and lift-off resist, it enables an in-situ application of ohmic contacts first etching close to the QW, then metalizing AuGe. Up to 500 nm thickness, the undercut guarantees an a clean lift-off with no sidewalls. 

The undertaken efforts have led to micro Hall bar measurements with Hall plateaus and SdH-oszillations in up to now unseen levels of detail.

The gap resistance of several micro Hall bars with a clear QSH signal have been presented in Quantum Spin Hall. The first to exhibit longitudinal resistances close to the expected h/2e2 since years, they reveal unprecedented details in features and characteristics. It has been shown that their protection against backscattering through time reversal symmetry is not as rigid as previously claimed. Values below and above 12.9 kΩ been explained, introducing backscattering within the Landauer-Büttiker formalism of edge channel transport. Possible reasons have been discussed. Kondo, interaction and Rashba-backscattering arising from density inhomogeneities close to the edge are most plausible to explain features on and deviations from a quantized value. Interaction, tunneling and dephasing mechanisms as well as puddle size, density of states and Rashba Fields are gate voltage dependent. Therefore, features in the QSH signal are fingerprints of the characteristic potential landscape.

Stable up to 11 K, two distinct but clear power laws have been found in the higher temperature dependence of the QSH in two samples. However, with ΔR = Tα, α = ¼  in one (QC0285) and α = 2 in the other (Q2745), none of the predicted dependencies could be confirmed. Whereas, the gap resistances of QC0285 remains QSH channel dominated up to 3.9 T and thereby confirmed the calculated lifting of the band inversion in magnetic field. The gate-dependent oscillating features in the QSH signal of Q2745 immediately increase in magnetic field. The distinct field dependencies allowed the assumption of two different dominant backscattering mechanisms.

Resulting in undisturbed magneto transport and unprecedented QSH measurements The Novel Micro Hall Bar Process has proven to enable the fabrication of a new generation of microstructures.
N2  - In der vorliegenden Dissertation wurden die Ergebnisse von viereinhalb Jahren lithographischer Prozessentwicklung an (Cd,Hg)Te/HgTe/(Cd,Hg)Te Quantum Well Strukturen  präsentiert.  Motiviert wurde der Aufwand mit den einzigartigen Eigenschaften des zweidimensionalen Topologischen Isolators. In früheren Arbeiten von Molenkamp et al. ist gezeigt worden, dass der Stromtransport im Quantum Spin Hall (QSH) Regime durch zwei Randkanäle  mit Elektronen entgegengerichteter Spin- und Propagationsrichtung erfolgt. Trotz der Vorhersage geschützten Randkanaltransports durch Zeit-Umkehr Invarianz, gab es bis zu der hier vorgenommenen Prozessoptimierung keine ungestörten Quantum Spin Hall Messungen oberhalb einer Länge von 4 µm.  Deswegen wurde das Hauptaugenmerk der Entwicklung auf einen möglichst einfachen, reproduzierbaren und ungestörten Herstellungsprozess für QSH Mikrostrukturen gelegt.

Die Ergebnisse der vollständigen Überarbeitung jedes einzelnen Lithographie-Schrittes für marko- und mikroskopische Probenstrukturierung wurden in Development erläutert. Die Anpassungen wurden anhand von Elektronen-, Lichtmikroskop-Aufnahmen und wann immer möglich auch Messungen motiviert, überprüft und für besser befunden.

Es wurde aufgezeigt, dass das bisher übliche Verfahren zum ätzen der Mesa mit beschleunigen Argon-Ionen das Material auch lateral beschädigt und mit drastisch reduzierten Elektronen-Beweglichkeiten in mikroskopischen Proben einhergeht.

Ein neuartiger KI:I2:HBr nass-Ätzprozess  hingegen, hat sich als nicht invasiv erwiesen.  Ohne die Kristallstruktur zu zerstören lassen sich damit Mikrostrukturen herstellen, welche sich durch beispiellos hohe Beweglichkeiten und Signalgüte auszeichnen. Schwierigkeiten, wie der unregelmäßige Ätz-Start und das langsamere Ätzen der leitfähigen Schicht sind durch Konzentrations-, Design- und Flussanpassungen sukzessive gelöst worden. Unter Beachtung des diffusiven Ätz-Charakters, sorgt ein schmaler Rahmen um das Schreibfeld des Elektronen Mikroskops für eine elektrische Entkopplung der späteren Mesa innen, mit dem Elektronen-Reservoir außen. Damit wird sichergestellt, dass die Leitfähigkeit des Quantentroges in der Redoxreaktion des Ätzens eine untergeordnete Rolle spielt. Durch den regulierbaren Fluss einer Schlauchpumpe lassen sich so reproduzierbar saubere Mesas auch unterhalb 300 nm Höhe herstellen.  Die PMMA Ätzmaske kann rückstandsfrei entfernen werden.

Über die ersten Versuche, bis hin zum letztendlichen Prozess, wurde dem Leser dabei das notwendige Wissen und Verständnis zur Durchführung der Mikrostrukturierung an die Hand gegeben. Unter Beachtung der charakteristischen Eigenheiten des nasschemischen Prozesses, lassen sich so nahezu alle Mesa-Formen innerhalb eines 200x200 µm2 Schreibfeldes realisieren.

Anhand von Hall-Messungen an Kontrollproben, wurde die sukzessive Erhöhung der Probenqualität durch den Ätzprozess und die vollständige Überarbeitung der darauf folgenden Lithographie-Prozesse bewiesen. Mit mehr und mehr Physik in den Messungen haben sich selbst kleine Auswirkungen des Lithographie-Prozesses auf die Probeneigenschaften testen lassen. Die folgenden Verbesserungen tragen maßgeblich zu diesem Ergebnis bei. Hier angewendet auf Mikro-Hall-Bars, lassen sich die Prozesse für die Herstellung fast jedweder Struktur auf (Cd,Hg)Te/HgTe anpassen.

    Der optische positiv Photo-Lack ECI 3027 kann sowohl als Nass- und auch Trockenätzmaske verwendet werden. Mit einer minimalen Auflösung größer 1 µ m wurde er hier eingesetzt, um Strukturen um das Elektronenmikroskop-Schreibfeld zu ätzen.
    Der PMMA Doppellagen Resist ist dick und weist nach dem Entwickeln ein unterhöhltes Lackprofil auf. Dies erlaubt ihn zuerst zum Heranätzen und dann zum Metallisieren der Ohmschen Kontakte zu nutzen. Bis zu 300 nm Metall können dabei ohne Überhöhungen in-situ und selbstjustierend aufgebracht werden. Es wurde gezeigt, dass Kontakte nahe der Hall-Bar bis unterhalb der späteren Gate-Elektrode, in höheren Magnetfeldern nicht zu Störungen der Messung führen.

Der MIBK Reinigungs Schritt vor dem Aufbringen der Gate-Elektrode entfernt PMMA Rückstände vorheriger Prozesse.  In Hall-Messungen wurde gezeigt, dass dies die Homogenität des Gate-Einflusses deutlich verbessert.

Der neuartige Tieftemperatur HfO2 ALD Prozess ermöglicht Isolator Wachstum auf Photo-Resist und PMMA Lift-off Masken. Dies wiederum ermöglicht eine Gate-Metallisierung direkt im Anschluss.  Dadurch lassen sich auch kleine Gate-Elektroden mit homogenem Potential-Einfluss herstellen, welche reproduzierbar Spannungen bis +-10 V aushalten.

Der optische negativ Photo-Lack ARN 4340 ermöglicht das Heranätzen und Metallisieren von Ohmschen Kontakten in Strukturgrößen größer 1 µm. Das ebenfalls unterhöhlte Lackprofil erlaubt dabei die Aufbringung von bis zu 500 nm dicken Schichten und einen problemlosen Lift-off.

Die unternommenen Anstrengungen haben dabei zu den bisher Besten und Detailsreichsten Messungen von Hall-Plateaus und Shubnikov-De Haas Oszillationen in (Cd,Hg)Te/ HgTe Mikrostrukturen geführt.

Messungen mit einem klaren QSH Signal im Längswiderstand von mehreren Mikro-Hall-Bars wurden präsentiert. Nach jahrelangen Bemühungen weisen diese Proben erstmalig wieder einen Bandlücken-Widerstand nahe der erwarteten Quantisierung von zwei Randkanälen auf.

Es wurde aufgezeigt, dass die vermeintliche geschützten Randzustände durchaus rück-streuen. Mit der Implementierung von Streuern im Landauer-Büttiker Formalismus für Randkanaltransport lassen sich Abweichungen unter- und oberhalb der erwarteten 12.9 kΩ begründen. Als mögliche Ursachen wurden Dichte-Inhomogenitäten ausgemacht, welche in Kondo-, Wechselwirkungs- und Rashba-Rückstreuprozessen resultieren.  Im komplexen Zusammenspiel von Wechselwirkung, Tunnelprozessen und Spin-Dephasierung, der unbekannten Verteilung von Inhomogenitäten, ihrer Größe und Dichte sowie der Feldabhängig-keit aller Parameter, hat sich keiner der diskutierten Mechanismen als dominant bewiesen. In noch nie dagewesenen Details erwies sich die Gate- und Magnetfeldabhängigkeit des QSH Signals als ein Fingerabdruck der hintergründigen Potential-Landschaft.

Die Signale von zwei unterschiedlichen Proben sind Temperatur- und Magnetfeldabhängig untersucht worden.  Dabei haben mehrere Argumente zu der Schlussfolgerung geführt, dass unterschiedliche Rückstreumechanismen in den Proben dominieren:

    Mit einem flachen QSH Plateau in der einen (QC0285), und in Gate-Spannung oszillierender Merkmale auf dem QSH Signal der anderen Probe (Q2745), zeigen sich erste Unterschiede bereits in den Gate-Messungen.
    In Temperatur-abhängigen Messungen erweist sich deren QSH Signal zwar als stabil bis 11\,K, folgt dann aber ΔR = Tα  mit α = 1/4 in QC0285 und α = 2 in Q2745.
    Im Magnetfeld bleibt die Bandlücke in QC0285 bis zum kritischen Feld der Invertierungsaufhebung Randkanal-Transport dominiert. Die Oszillierenden Merkmale auf dem QSH Signal in Q2745 dagegen, reagieren schon auf kleine Felder mit einer Erhöhung im Widerstand.

Die unvergleichliche Qualität der hier präsentierten Hall-Messungen und QSH Signale und das bis ins letzte Detail optimierte Herstellungsverfahren, rechtfertigen es von einer neuen Generation an QSH Mikrostrukturen zu sprechen.
KW  - Topological insulators
KW  - Quecksilbertellurid
KW  - Quantum Spin Hall Effect
KW  - Lithography
KW  - Macroscopic transport
KW  - Quecksilbertellurid
KW  - Topologischer Isolator
KW  - Quanten-Hall-Effekt
Y1  - 2018
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-168214
ER  - 
TY  - THES
A1  - Kagerer, Philipp Thomas
T1  - Two-Dimensional Ferromagnetism and Topology at the Surface of MnBi\(_2\)Te\(_4\) - Bi\(_2\)Te\(_3\) Heterostructures - MBE Growth, Magnetism and Electronic Properties
T1  - Zweidimensionaler Ferromagnetismus und Topologie an der Oberfläche von MnBi\(_2\)Te\(_4\) - Bi\(_2\)Te\(_3\) Heterostrukturen - MBE Wachstum, Magnetismus und elektronische Eigenschaften
N2  - In this thesis, a model system of a magnetic topological heterostructure is studied, namely a heterosystem consisting of a single ferromagnetic septuple-layer (SL) of \(MnBi_2Te_4\) on the surface of the three-dimensional topological insulator \(Bi_2Te_3\).
Using MBE and developing a specialized experimental setup, the first part of this thesis deals with the growth of \(Bi_2Te_3\) and thin films of \(MnBi_2Te_4\)  on \(BaF_2\)-substrates by the co-evaporation of its binary constituents. The structural analysis is conducted along several suitable probes such as X-ray diffraction (XRD, XRR), AFM and scanning tunnelling electron microscopy (STEM). It is furthermore found that the growth of a single septuple-layer of \(MnBi_2Te_4\) on the surface of \(Bi_2Te_3\) can be facilitated. 
By using X-ray absorption and circular magnetic dichroism (XAS, XMCD), the magnetic properties of \(MnBi_2Te_4\) are explored down to the monolayer limit. The layered nature of the vdW crystal and a strong uniaxial magnetocrystalline anisotropy establish stable out-of plane magnetic order at the surface of \(MnBi_2Te_4\), which is stable even down to the 2D limit. Pushing the material system to there, i.e. a single SL \(MnBi_2Te_4\) further allows to study the phase transition of this 2D ferromagnet and extract its critical behaviour with \(T_c \, = \, 14.89~k\) and \(\beta \, = \, 0.484\).
Utilizing bulk crystals of the ferromagnetic \(Fe_3GeTe_2\)  as substrate allows to influence, enhance and bias the magnetism in the single SL of \(MnBi_2Te_4\). By growing heterostructures of the type \(MnBi_2Te_4\) -- n layer \(Bi_2Te_3\) -- \(Fe_3GeTe_2\)for n between 0 and 2, it is shown, that a considerable magnetic coupling can be introduced between the \(MnBi_2Te_4\) top-layer and the substrate.
Finally the interplay between topology and magnetism in the ferromagnetic extension is studied directly by angle-resolved photoemission spectroscopy. The heterostructure is found to host a linearly dispersing TSS at the centre of the Brillouin zone. Using low temperature and high-resolution ARPES a large magnetic gap opening of \(\sim\) 35 meV is found at the Dirac point of the TSS. By following its temperature evolution, it is apparent that the scaling behaviour coincides with the magnetic order parameter of the modified surface.
N2  - In dieser Arbeit wird ein Modellsystem einer magnetischen topologischen Heterostruktur untersucht, genauer ein Heterosystem, das aus einer einzelnen ferromagnetischen Septupellage (SL) aus \(MnBi_2Te_4\) auf der Oberfläche des dreidimensionalen topologischen Isolators \(Bi_2Te_3\) besteht.
Mittels MBE und eines eigens entwickelten Setups befasst sich der erste Teil mit dem Wachstum von \(Bi_2Te_3\) und \(MnBi_2Te_4\) auf \(BaF_2\)-Substraten durch die Ko-Verdampfung ihrer binären Bestandteile. Die Strukturanalyse wird mit Hilfe von Röntgenbeugung (XRD, XRR), AFM und Rastertunnel-Elektronenmikroskopie (STEM) durchgeführt. Darüber hinaus wird festgestellt, dass das Wachstum einer einzelnen SL von \(MnBi_2Te_4\) auf der Oberfläche von \(Bi_2Te_3\) möglich ist. 
Mit Hilfe von Röntgenabsorption und des zirkularen magnetischen Dichroismus (XAS, XMCD) werden die magnetischen Eigenschaften von \(MnBi_2Te_4\) bis zur Monolage untersucht. Die geschichtete Natur des vdW-Kristalls und eine starke uniaxiale magnetokristalline Anisotropie stabilisieren eine magnetische Ordnung an der Oberfläche von \(MnBi_2Te_4\), die sogar bis zum 2D-Limit stabil ist. Bei Betrachtung einer einzigen SL \(MnBi_2Te_4\), kann man den Phasenübergang dieses 2D-Ferromagneten weiter untersuchen und sein kritisches Verhalten mit \(T_c \, = \, 14,89~k\) und \(\beta \, = \, 0,484\) extrahieren.
Die Verwendung von \(Fe_3GeTe_2\) als Substrat ermöglicht es, den Magnetismus in einzelnen SL von \(MnBi_2Te_4\) zu beeinflussen und zu verstärken. Durch Aufwachsen von Heterostrukturen des Typs \(MnBi_2Te_4\) -- n Schicht \(Bi_2Te_3\) -- \(Fe_3GeTe_2\) für n zwischen 0 und 2 wird gezeigt, dass eine beträchtliche magnetische Kopplung zwischen der \(MnBi_2Te_4\) Deckschicht und dem Substrat erreicht werden kann.
Schließlich wird das Zusammenspiel zwischen Topologie und Magnetismus in dem System direkt durch winkelaufgelöstes ARPES untersucht. Die Heterostruktur weist einen linear dispergierendes TSS im Zentrum der Brillouin-Zone auf. In der Temperaturabhängigkeit wird eine große magnetische Lücke von \(\sim\) 35 meV am Dirac-Punkt des TSS gefunden, deren Skalierungsverhalten mit dem magnetischen Ordnungsparameter der modifizierten Oberfläche übereinstimmt.
KW  - Molekularstrahlepitaxie
KW  - ARPES
KW  - Magnetischer Röntgenzirkulardichroismus
KW  - Topologie
KW  - Magnetismus
KW  - Topological Insulator
KW  - Heterostructure Growth
KW  - Electronic Structure
KW  - Ferromagnetism
Y1  - 2024
U6  - http://nbn-resolving.de/urn/resolver.pl?urn:nbn:de:bvb:20-opus-360121
ER  -