ERA-Chemistry: Spin-polarisierte topologische Isolatoren unter Druck

• Antragsteller: Professor Dr. Michael Ruck
• Fachliche Zuordnung: Festkörper- und Oberflächenchemie, Materialsynthese
• Förderung: Förderung von 2015 bis 2019
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 270024888

Obwohl Festkörper in der Regel eine niedrige Kompressibilität aufweisen, kann mit Hilfe des thermodynamischen Parameters Druck in bemerkenswertem Umfang Einfluss auf die Stabilität, die Struktur und die Eigenschaften von Festkörpern genommen werden. Im Rahmen dieses Projektes wollen wir Hochdruckmodifikationen der Materialklasse der Topologischen Isolatoren (TI) angehen, die derzeit im Fokus der aktuellen Forschung in der Festkörperphysik stehen. Diese erst kürzlich entdeckten nicht-magnetischen Materialien repräsentieren einen neuen Zustand von Materie, der die Ausbildung des Quanten-Spin-Hall-Effekts unter Normalbedingungen ermöglicht. Dieser Zustand unterstützt die Ausbildung räumlich getrennter spin-polarisierter Kanäle auf der Volumenoberfläche, die unabhängig voneinander kontrolliert werden können und die Informationen ohne Dekohärenz übermitteln können. Bei magnetischer Dotierung können die TI quantisierte und dissipationslose elektrische Ströme ausbilden, die einen Durchbruch bei der Realisierung von Quantencomputern unter Standardbedingungen versprechen. Die Anzahl von bestätigten Topologischen Isolatoren ist sehr begrenzt. Einige theoretische Studien weisen darauf hin, dass es die Möglichkeit geben sollte, neue TI unter Druck zu erhalten, allerdings sind komplementäre experimentelle Bemühungen bisher kaum zu finden. Auch führte die magnetische Dotierung bekannter TI unter Normaldruckbedingungen bisher nur zu geringen Substitutionsraten (2 bis 5 at.%) und dies bei relativ schlecht kontrollierten synthetischen Bedingungen. Um diese Lücke zu schließen, schlagen wir folgende Vorgehensweise vor: (a) die Erforschung der strukturellen Veränderungen ausgewählter Kandidaten aus dem Bereich der TI an schichtartige Heterostrukturen wie die von BiTeI, (Bi2)n(BiTeI)m, (Bi2)n(Bi2Te3)m, (BiTeI)n(Bi2Te3)m (m, n größer gleich 1) unter Druck; (b) die Erforschung neuer Möglichkeiten der magnetischen Substitution des Bi sowie die magnetische Interkalation in den bereits bestätigten Topologischen Isolatoren (Bi2Te3, Bi2Se3) und den oben genannten Kandidaten unter Druck; 3d-Metalle (Cu, Mn, Fe, Cr, V) und Seltenerd-Elemente (Ce, Gd) werden als erstes untersucht; (c) die Suche nach neuen, vermutlich metastabilen, strukturellen Modifikationen von BiMX und SbMX, M = S, Se, Te, X = Cl, Br, I unter Hochdruckbedingungen. Das beantragte Forschungsprojekt würde mit der Entdeckung neuer TI und insbesondere mit magnetisch dotierten TI einen signifikanten Beitrag zur Festkörperchemie und Festkörperphysik leisten.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Internationaler Bezug: Österreich
• Partnerorganisation: Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF)
• Kooperationspartner: Professor Dr. Hubert Huppertz
• Mitverantwortlich(e): Professorin Dr. Anna Isaeva