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Despite its history of more than one hundred years, the phenomenon of
superconductivity has not lost any of its allure. During that time the concept
and perception of the superconducting state - both from an experimental and
theoretical point of view - has evolved in way that has
triggered increasing interest. What was initially believed to simply be the
disappearance of electrical resistivity, turned out to be a universal and
inevitable result of quantum statistics, characterized by many more
aspects apart from its zero resistivity. The insights of
BCS-theory eventually helped to uncover its deep connection to particle physics
and consequently led to the formulation of the Anderson-Higgs-mechanism. The
very core of this theory is the concept of gauge symmetry (breaking). Within the
framework of condensed-matter theory, gauge invariance is only one of several
symmetry groups which are crucial for the description and classification of
superconducting states. \\
In this thesis, we employ time-reversal, inversion, point group and spin
symmetries to investigate and derive possible Hamiltonians featuring spin-orbit
interaction in two and three spatial dimensions.
In particular, this thesis aims at a generalization of existing numerical
concepts to open up the path to spin-orbit coupled (non)centrosymmetric
superconductors in multi-orbital models.
This is done in a two-fold way: On the one hand, we formulate - based on the
Kohn-Luttinger effect - the perturbative renormalization group in the
weak-coupling limit. On the other hand, we define the spinful flow equations of
the effective action in the framework of functional renormalization, which is
valid for finite interaction strength as well. Both perturbative and functional
renormalization groups produce a low-energy effective (spinful) theory that
eventually gives rise to a particular superconducting state, which is investigated
on the level of the irreducible two-particle vertex. The symbiotic relationship
between both perturbative and functional renormalization can be traced back to
the fact that, while the perturbative renormalization at infinitesimal coupling
is only capable of dealing with the Cooper instability, the functional
renormalization can investigate a plethora of instabilities both in the
particle-particle and particle-hole channels. \\
Time-reversal and inversion are the two key symmetries, which are being used to
discriminate between two scenarios. If both time-reversal and inversion symmetry
are present, the Fermi surface will be two-fold degenerate and characterized by a
pseudospin degree of freedom. In contrast, if inversion symmetry is broken, the
Fermi surface will be spin-split and labeled by helicity. In both cases, we
construct the symmetry allowed states in the particle-particle as well as the
particle-hole channel. The methods presented are formally unified and implemented
in a modern object-oriented reusable and extendable C++ code.
This methodological implementation is employed to one member of both families of
pseudospin and helicity characterized systems. For the pseudospin case, we choose
the intriguing matter of strontium ruthenate, which has been heavily
investigated for already twenty-four years, but still keeps puzzling researchers.
Finally, as the helicity based application, we consider the oxide heterostructure
LaAlO$_{3}$/SrTiO$_{3}$, which became famous for its highly mobile two-
dimensional electron gas and is suspected to host topological superconductivity.
Diese Arbeit befasst sich mit der Untersuchung und Manipulation von Halbleitern, bei
denen die Spin-Bahn-Kopplung (SBK) in Kombination mit einem Bruch der strukturellen Inversionssymmetrie zu einer impulsabhängigen Spinaufspaltung der Bandstruktur führt. Von besonderem Interesse ist hierbei der Zusammenhang zwischen der spinabhängigen elektronischen Struktur und der strukturellen Geometrie. Dieser wird durch eine Kombination komplementärer, oberflächensensitiver Messmethoden - insbesondere Rastertunnelmikroskopie
(STM) und Photoelektronenspektroskopie (PES) - an geeigneten
Modellsystemen untersucht. Der experimentelle Fokus liegt dabei auf den polaren Halbleitern BiTeX (X =I, Br, Cl). Zusätzliche Experimente werden an dünnen Schichten der topologischen Isolatoren (TI) Bi1,1-xSb0;9+xSe3 (x = 0. . . 1,1) und Bi2Te2Se durchgeführt. Die inversionsasymmetrische Kristallstruktur in BiTeX führt zur Existenz zweier nicht-äquivalenter Oberflächen mit unterschiedlicher Terminierung (Te oder X) und invertierter atomarer Stapelfolge. STM-Aufnahmen der Oberflächen gespaltener Einkristalle belegen für BiTeI(0001) eine Koexistenz beider Terminierungen auf einer Längenskala von etwa 100 nm, die sich auf Stapelfehler im Kristallvolumen zurückführen lassen. Diese Domänen sind groß genug, um eine vollständig entwickelte Banddispersion auszubilden und erzeugen daher eine Kombination der Bandstrukturen beider Terminierungen bei räumlich integrierenden Messmethoden. BiTeBr(0001) und BiTeCl(0001) hingegen zeichnen sich durch homogene Terminierungen auf einer makroskopischen Längenskala aus. Atomar
aufgelöste STM-Messungen zeigen für die drei Systeme unterschiedliche Defektdichten der einzelnen Lagen sowie verschiedene strukturelle Beeinflussungen durch die Halogene. PES-Messungen belegen einen starken Einfluss der Terminierung auf verschiedene Eigenschaften der Oberflächen, insbesondere auf die elektronische Bandstruktur, die Austrittsarbeit sowie auf die Wechselwirkung mit Adsorbaten. Die unterschiedliche Elektronegativität der Halogene resultiert in verschieden starken Ladungsübergängen innerhalb der kovalent-ionisch gebundenen BiTe+ X- Einheitszelle. Eine erweiterte Analyse der Oberflächeneigenschaften ist durch die Bedampfung mit Cs möglich, wobei eine Änderung der elektronischen Struktur durch die Wechselwirkung mit dem Alkalimetall studiert wird. Modifiziert man die Kristallstruktur sowie die chemische Zusammensetzung von BiTeI(0001) nahe der Oberfläche durch Heizen im Vakuum, bewirkt dies eine Veränderung der Bandstruktur in zwei Schritten. So führt zunächst der Verlust von Iod zum Verlust der Rashba-Aufspaltung, was vermutlich durch eine Aufhebung der Inversionsasymmetrie in der Einheitszelle verursacht wird. Anschließend bildet sich eine neue Kristallstruktur, die topologisch nichttriviale Oberflächenzustände hervorbringt. Der Umordnungsprozess betrifft allerdings nur die Kristalloberfläche - im Volumen bleibt die inversionsasymmetrische
Einheitszelle erhalten. Einem derartigen Hybridsystem werden bislang unbekannte elektronische Eigenschaften vorausgesagt. Eine systematische Untersuchung von Dünnschicht-TIs, die mittels Molekularstrahlepitaxie (MBE) erzeugt wurden, zeigt eine Veränderung der Morphologie und elektronischen Struktur in Abhängigkeit von Stöchiometrie und Substrat. Der Vergleich zwischen MBE und gewachsenen Einkristallen offenbart deutliche Unterschiede. Bei einem der Dünnschichtsysteme tritt sogar eine lokal inhomogene Zustandsdichte im Bindungsenergiebereich des topologischen Oberflächenzustands auf.