Wisselwerking tussen magnetisme en band topologie in Dirac/Weyl semimetalen

Het kwantum-Hall-effect (QHE), waarbij de transversale geleidbaarheid van een tweedimensionaal (2D) elektronengas in een magnetisch veld wordt gekwantiseerd tot veelvouden van e²/h, fascineert natuurkundigen al meer dan veertig jaar. In 2013 werd het kwantum-afwijkende-Hall-effect (QAHE) gerealiseerd in magnetische topologische isolatoren. Het kenmerk van het QAHE is de dissipatieloze chirale 1D-toestand die zich op de rand van de quasi-2D magnetische-topologische-isolator dunne laag bevindt. Deze chirale randtoestand zorgt dat de longitudinale weerstand verdwijnt en de Hall-weerstand gekwantiseerd wordt, vergelijkbaar met het QHE bij vulfactor één. Het QAHE vereist echter geen extern magnetisch veld, waardoor het een duidelijk voordeel heeft over het QHE.

Bij het verkleinen van de monsterafmetingen of het vergroten van de stroomdichtheid treedt een abrupte ineenstorting van het QAHE op met een relatief kleine kritische stroom. In het eerste deel van dit proefschrift wordt het mechanisme van deze ineenstorting bestudeerd in monsters met meerdere meetterminals en wordt het elektrische veld dat wordt gecreëerd tussen tegengestelde chirale randtoestanden geïdentificeerd als de drijvende kracht. Om precies te zijn, de percolatie van 2D ladingplassen in de geopende oppervlaktetoestanden van de gecompenseerde topologische-isolator-films als gevolg van het grote transversale elektrische veld wordt voorgesteld als de meest waarschijnlijke oorzaak van de ineenstorting.

Hoewel het over het algemeen wenselijk is om de ineenstorting te voorkomen, geeft de chirale aard van de randtoestanden aanleiding tot rectificatie (niet- reciproke) effecten in de longitudinale weerstand wanneer de ideale weerstandloze toestand verloren gaat. In het tweede deel van dit proefschrift wordt het niet-reciproke ladingstransport geassocieerd met het ineengestorte QAHE bestudeerd over een grote parameterruimte van verschillende temperaturen, externe magnetische velden, elektrostatische poortpotentialen en stroomdichtheden. Er worden twee verschillende regimes waargenomen. Bij hoge stromen en/of temperaturen waarbij de Coulomb-stoornis slechts een ondergeschikte rol speelt, volgt de stroom-spanningsrelatie de bekende kwadratische stroomafhankelijkheid van niet-reciproke systemen. De beschrijving van het niet-reciproke ladingstransport wordt daarentegen echter complex wanneer bij ultra-lage temperaturen de stroomamplitude wordt verkleind tot slechts een paar nanoampère boven de kritieke stroom voor de ineenstorting. In dit regime wordt de niet-reciproke respons wanneer de chemische potentiaal in de geopende oppervlaktetoestanden ligt, toegeschreven aan de 2D-ladingsplassen (n- of p-type) die in de meerderheid zijn, als gevolg van een onvolledige ladingscompensatie.

Het doctoraatsproject kreeg steun in de vorm van een doctoraatsbeurs van het Fonds Wetenschappelijk Onderzoek (FWO, dossier nr. 27531 en nr. 52751).