guest ::
Electron interference effects in topological insulator nanoribbon/superconductor structures
2024
Dissertation, RWTH Aachen University, 2024
Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University
Genehmigende Fakultät
Fak01
Hauptberichter/Gutachter
;
Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2024-02-29
Online
DOI: 10.18154/RWTH-2024-05487
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/986933/files/986933.pdf
Einrichtungen
Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530
Kurzfassung
Diese Dissertation berichtet über eine Reihe von Elektronentransportexperimenten an Nanostrukturen aus topologischen Isolatoren. Sie beginnt mit der Einordnung der Erforschung topologischer Materie in den Kontext des aktuellen technologischen Fortschritts (Kapitel 1). Anschließend werden die grundlegenden theoretischen Konzepte des Elektronentransports in topologischer Materie und Supraleitern vorgestellt (Kapitel 2). In den folgenden Kapiteln wird über experimentelle Untersuchungen von Systemen aus topologischer Materie berichtet. Zunächst werden experimentelle Beobachtungen der elektrischen Magnettransporteigenschaften in Mikro- und Nanosystemen bei niedrigen Temperaturen analysiert. Die Beobachtungen von Magnetotransport-Oszillationen werden bis auf die Ebene einzelner elektronischer Interferenzpfade zurückverfolgt. Diese Interpretation wird durch Simulationen, sowie durch den Vergleich der Ergebnisse mit früheren Arbeiten auf verwandten Gebieten gestützt (Kapitel 3). Danach werden Oszillationen der Magnetowiderstandes in Aharonov-Bohm-Interferometern aus topologischen Isolatoren untersucht. Die Analysen geben Aufschluss über den kohärenten Transport von Elektronen bei niedrigen Temperaturen. In einem weiteren Schritt wird ein Zusammenschluss aus mehreren Interferometern analysiert und interpretiert. Das Magnetowiderstandsverhalten der Interferometerkomposition für Felder in der Ebene deutet auf das Vorhandensein von Oberflächenzuständen hin und stimmt mit ähnlichen Beobachtungen überein, die an demselben Material gemacht wurden (Kapitel 4). Strukturen mit drei Anschlüssen stehen im Mittelpunkt von Kapitel 5. Im Experiment wird ein magnetischer Lenkungseffekt beim Anlegen von in der Ebene liegenden Magnetfeldkomponenten beobachtet. Mit Hilfe von Simulationen konnte dieser Effekt auf die durch die Mehrfachanschlüsse hinzugefügte Komplexität, sowie die Oberflächeneigenschaften des Materialsystems, zurückgeführt werden. In Kapitel 6 schließlich wird ein Bauelement, welches aus dualen topologischen Isolatoren gefertigt wurde und über mehrere supraleitenden Elektroden verfügt untersucht. Die Struktur zeigt Anzeichen von induzierter Supraleitung in Gleichstrom- und Magnettransportexperimenten. Die experimentellen Beobachtungen stimmen gut mit den Simulationen des RCSJ-Models überein. In Hochfrequenzexperimenten wurden fraktionale Shapiro-Stufen beobachtet, die als Folge der verzerrten Strom-Phasen-Beziehung der induzierten Supraleitung in der topologischen Materie interpretiert werden. Die Dissertation wird mit Kapitel 7 abgeschlossen, in dem die Ergebnisse der vorangegangenen Abschnitte diskutiert werden.This dissertation reports a series of electron transport experiments on topological insulator nanoribbons. It starts with positioning the research of topological matter in the context of current technological advancement (Chapter 1). The most fundamental theoretical concepts electronic transport in topological matter and superconductors are introduced subsequently (Chapter 2). The following chapters report on experimental studies of topological matter systems. Initially, experimental observations of the electric magnetotransport properties in micro- and nanosystems at low temperature are analyzed. The observations of magnetotransport oscillations is traced down to the level of individual electronic loop paths. This interpretation is supported using simulations, such as comparing the results to previous works in related fields (Chapter 3). After this, magnetoresistance oscillations in topological insulator Aharonov-Bohm interferometers are studied. The analyses provide information about the coherent transport of electrons at low temperature. As an additional step, an array composed out of multiple interferometers is analyzed and interpreted. The in-plane magnetoresistance response of the array device indicates the presence of surface states and is in agreement with similar observations made in the same material (Chapter 4). Three-terminal structures are at focus of Chapter 5. In the experiment a magnetic steering effect, upon application of in-plane magnetic field components is observed. Using simulations, this effect could be attributed to the complexity added by the multiple leads, such as the surface state properties of the material system.Finally in Chapter 6, a dual topological insulators multi-terminal device is paired with superconductive electrodes. The device shows signatures of induced superconductivity in DC and magnetotransport experiments. The experimental observations agree well with RCSJ-type circuit simulations. In RF experiments fractional Shapiro steps were observed, which is interpreted to be a consequence of the skewed current–phase relationship of the induced superconductivity into the topological matter. The dissertation is concluded with Chapter 7, which discusses the findings from the previous sections.
OpenAccess: 
PDF
(additional files)
Dokumenttyp
Dissertation / PhD Thesis
Format
online
Sprache
English
Externe Identnummern
HBZ: HT030762838
Interne Identnummern
RWTH-2024-05487
Datensatz-ID: 986933
Beteiligte Länder
Germany
|
The record appears in these collections: |