SPP 1666/1: Magnetically Doped Topological Insulators: Surfaces States, Dimensionality and Defect Effects

Das Projekt untersucht vorrangig den Einfluss von magnetischer Dotierung auf die Eigenschaften dreidimensionaler topologischer Isolatoren (TI). Detaillierte Information über deren elektronische Struktur wird dabei über die spin- und winkel-aufgel?ste Photoemissionsspektroskopie (SARPES) erhalten. Entsprechende Pump-Probe-Experimente erlauben es das dynamische Verhalten der untersuchten Systeme auf direkte und zuverl?ssige Weise zu charakterisieren. Zudem werden deren Transporteigenschaften bestimmt, wobei neben der Temperaturabh?ngigkeit des longitudinalen und transversalen Magneto-Transports vor allem dessen r?umliche Verteilung durch Variation der Probendicke ermittelt wird. Die Experimente werden durch theoretische Arbeiten im Rahmen der Dichtefunktionaltheorie in Kombination mit der dynamischen Mean-Field-Theorie begleitet. Vollrelativistische Rechnungen berücksichtigen zuverl?ssig alle Spin-Bahn-induzierten Charakteristika der elektronischen Struktur. Dies gilt auch für dichroische Effekte in der SARPES, die mittels der Spindichtematrixformulierung des Einschrittmodells beschrieben werden. Analog dazu wird der Einfluss der Spin-Bahn-Kopplung auf den Transport berücksichtigt, wobei Kubos Lineare-Antwort-Formalismus eingesetzt wird. Nachdem sich die Projektarbeiten bislang auf Grundzustandseigenschaften beschr?nkten, werden der Einfluss einer endlichen Temperatur sowie dynamische Ph?nomene im Vordergrund stehen. Eine der zentralen Fragestellungen wird die Ermittlung magnetisch dotierter TI-Systeme sein, für die das Auftreten einer Bandlücke im Oberfl?chenbereich eindeutig durch die magnetische Ordnung bedingt ist. Die gr??te magnetisch induzierte Bandlücke, die bislang erhalten wurde, ist nur 10 meV weit; bei einer Curie-Temperatur von 10 K. Es wird erwartet, dass der Wechsel von (Bi1-xMnx)2(Se,Te)3 zu (Sb1-xVx)2Te3 den Effekt um eine Gr??enordnung verst?rken wird. Die entsprechenden Curie-Temperaturen für den Volumen- bzw. Oberfl?chenbereich, die sich unterscheiden sollten, werden zudem in Abh?ngigkeit von der Zusammensetzung ermittelt. Bezüglich des Magneto-Transports wird die r?umliche Verteilung der Leitf?higkeit sowie ihre Abh?ngigkeit von der magnetischen Dotierung und der Temperatur im Mittelpunkt der Arbeiten stehen. Zur Ermittlung der Spintextur und ihrer Abh?ngigkeit von der magnetischen Ordnung werden SARPES Messungen über- und unterhalb der Curie-Temperatur von magnetisch geordneten TI-Systemen durchgeführt. Pump-Probe-Experimente, die eine Spinmanipulation erlauben, werden durch Simulationen unterstützt um die relevanten Kan?le für die Spin- und Ladungsrelaxation zusammen mit den zugeh?rigen Zeitskalen zu ermitteln. Die statischen Transportmessungen werden schlie?lich durch die Erzeugung und Beobachtung Laser-induzierter Photostr?me weitergeführt, wobei deren Abh?ngigkeit von der Polarisation, der Photonenenergie und der Laserintensit?t über den ferromagnetischen Phasenübergang hinweg verfolgt wird.