Cyclotron resonance induced photocurrents and opto-electronic characterization of 2D and 3D topological insulators

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Das langfristige Ziel des Projektes ist die Untersuchung des Terahertz/Mikrowellenstrahlung induzierten, nichtlinearen, hochfrequenten (HF) Elektronentransports in 2D und 3D topologischen Isolatoren (TI), welche neue Möglichkeiten für die Erforschung des topologischen Verhaltens von Dirac Fermionen (DF) eröffnet. Die anstehende Phase des Projektes soll einen Einblick in die Natur von mehreren Phänomenen, die im Rahmen der ersten Phase beobachtet wurden, geben. Dabei handelt es sich um zyklotronresonanzinduzierte Photoströme; nichtresonante Magnetophotogalvanik; Quanten-Magneto-Oszillationen des Photostromes, Photogalvanik und den Photon Drag Effekt in Oberflächenzuständen und Randkanälen der verschiedenen TI. Da es sich um ein neues Feld handelt, sollen diese Phänomene sowohl experimentell als auch theoretisch untersucht werden. Wir erwarten als Resultat grundlegende Informationen über den Spin- und den Ladungstransport in TI zu gewinnen. Die Kenntnisse die wir bereits erlangt haben und die Resultate aus der zweiten Phase sollen für eine optoelektronische Charakterisierung von bekannten sowie neuartigen TI Systemen benutzt werden. Die Untersuchung von terahertzinduzierten Photoströmen in TI stellt ein effizientes Werkzeug dar um den Elektrontransport und das Energiespektrum zu analysieren. Damit können schwache Einflüsse der Spin-Bahn-Wechselwirkung, zu denen unter anderem der Rashba- und der Dresselhaus-Effekt gehören erforscht werden. Weiterhin können die Zyklotronmasse und die Fermigeschwindigkeit von Dirac-Fermionen als Funktion der Ladungsträgerdichte bestimmt und die Orientierung der Oberflächendomänen analysiert werden. Schließlich kann man die Beweglichkeit von Dirac-Fermionen einschätzen und darüber hinaus einen Zugang zu den Impuls-, Spin- und Energierelaxationsprozessen erhalten. Wie unsere vorherigen Untersuchungen zeigen, sind diese Phänomene insbesondere geeignet die elektronische Struktur der 3D TI zu analysieren, da sie eine selektive elektrische Antwort von topologischen Zuständen, angeregt durch das elektrische HF Feld, geben. Somit können die topologischen Oberflächenzustände auch in Materialien mit hoher Volumenladungsträgerdichte, in denen parallele leitende Kanäle die Analyse herkömmlicher Transportexperimente behindern, untersucht werden. Die Selektivität beruht zum einen auf Symmetrieargumenten, die in den meisten 3D TI eine Antwort des Volumenmaterials verbieten und zum anderen, auf der besonderen Lage der Zyklotronresonanz. Ein wichtiges Ziel des Projektes ist es neben etablierten TI Materialien auch neue TI zu charakterisieren und somit die technologischen Gruppen in der Wachstumsoptimierung zu unterstützen. Im Rahmen des Projektes planen wir verschiedene Arten von TI Materialien zu untersuchen: 3D und 2D HgTe-basierte TI, Bi1-xSbxTe 3D TI, type II InAsA/GaSb Quantentöpfe, Pb1-xSnxSe 3D TI mit großem x, Bi14Rh3I9 Einzelkristallen, Beta-Bi4I4 3D starke TI und den elementaren TI alpha-Sn auf InSb(001).