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Generic Helical Liquids in 2D Topological Insulators: Transport Properties and Applications

English title Generic Helical Liquids in 2D Topological Insulators: Transport Properties and Applications
Applicant Schmidt Thomas
Number 147523
Funding scheme Project funding (Div. I-III)
Research institution Physics and Materials Science Research Unit FSTC Université du Luxembourg
Institution of higher education University of Basel - BS
Main discipline Condensed Matter Physics
Start/End 01.09.2015 - 31.07.2017
Approved amount 71'820.00
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All Disciplines (2)

Discipline
Condensed Matter Physics
Theoretical Physics

Keywords (4)

Condensed matter physics; Quantum mechanics; Topological insulators; One-dimensional systems

Lay Summary (German)

Lead
Topologische Isolatoren wurden im Jahre 2007 erstmals experimentell realisiert und werden seither in der Festkörperphysik intensiv untersucht. Solche Systeme existieren in 2 und 3 Dimensionen und zeichnen sich dadurch aus, dass sie sich im Inneren wie Isolatoren verhalten, während die Oberflächen (im Falle eines dreidimensionalen topologischen Isolators) oder Ränder (im zweidimensionalen Fall) metallisch sind. Diese Randzustände werden von den Mechanismen, die in Metallen einen elektrischen Widerstand verursachen, kaum betroffen, so dass sie sehr gute Leiter sind und daher vielversprechend für elektronische Anwendungen sind.
Lay summary

In diesem Projekt untersuchen wir die Eigenschaften der eindimensionalen Randkanäle von zweidimensionalen topologischen Isolatoren. Diese Randzustände haben die außergewöhnliche Eigenschaft, dass Elektronen mit entgegengesetzten Spins sich in entgegengesetzte Richtungen bewegen. Die Bewegungsrichtung ist also mit dem Spin korreliert, und solche Systeme werden als "helikal" bezeichnet.

Die Helizität der Randzustände eröffnet interessante Perspektiven für Anwendungen im Bereich der Spintronik, wo der Spinfreiheitsgrad der Elektronen - statt ihrer Ladung - für logische Anwendungen benutzt wird, z.B. in so genannten Spin-Transistoren oder Spin-Dioden.

Wir untersuchen theoretisch helikale Randzustände in verschiedenen Materialien für topologische Isolatoren. Zum einen interessieren uns die Mechanismen, die in solchen Systemen elektrischen Widerstand verursachen können. Zum anderen möchten wir herausfinden, wie die Spinstruktur der Randzustände experimentell untersucht werden kann, und welche Spintronik-Anwendung sich hieraus ergeben.

Direct link to Lay Summary Last update: 12.08.2014

Responsible applicant and co-applicants

Employees

Name Institute

Publications

Publication
Transport through a quantum spin Hall antidot as a spectroscopic probe of spin textures
Rod Alexia, Dolcetto Giacomo, Rachel Stephan, Schmidt Thomas L. (2016), Transport through a quantum spin Hall antidot as a spectroscopic probe of spin textures, in Phys. Rev. B, 94, 035428-035428.
Spin texture of generic helical edge states
Rod Alexia, Schmidt Thomas L., Rachel Stephan (2015), Spin texture of generic helical edge states, in Phys. Rev. B, 91, 245112-245112.

Scientific events

Active participation

Title Type of contribution Title of article or contribution Date Place Persons involved
Topological Matter School 2016 Poster Generic Helical Liquids: Theory & Applications 23.08.2016 San Sebastian, Spain Rod Alexia;
NTTI 2016 Talk given at a conference Spin textures and response functions of helical electron systems 21.07.2016 Würzburg, Germany Schmidt Thomas;
DPG-Frühjahrstagung Poster Probing the spin texture of generic helical edge states with an antidot 06.03.2016 Regensburg, Germany Rod Alexia;


Self-organised

Title Date Place
Spin Orbit Materials 2017 24.07.2017 Luxemburg, Luxembourg

Abstract

This research proposal focuses on the investigation of electronic transport properties ofmetallic helical edge states of two-dimensional topological insulators. The objectives canbe divided into two major parts.The first part is devoted to the investigation of fundamental properties of the helical liquids.In a recent paper [Schmidt et al., Phys. Rev. Lett. 108, 156402 (2012)], we introduced theconcept of a generic helical liquid (GHL). This is the most general model of a time-reversalinvariant helical liquid without axial spin symmetry. This symmetry is usually broken inexperimental realizations, and we showed that its absence changes the transport propertiessignificantly. In the first part of this project, we will investigate transport properties ofinteracting GHLs in the presence of disorder, the effect of a weak breaking of time-reversalsymmetry, and we will develop proposals on how to measure the spin structure of the helicaledge states.The second part focuses on nanostructured geometries of two-dimensional topologicalinsulators which can be realized in experiments and allow a more detailed characterizationof the properties of GHLs. In particular, we shall examine antidots, which are coupled bytunnelling to the edges of the sample. We shall use a combination of numerical and analytictechniques to determine the current through such an antidot. We expect it to display adistinctive interference pattern which is unique to GHLs. Moreover, we shall investigate therole of the charging energy on the antidot and the possible emergence of the Kondo effect.
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