Universität zu Köln

Münning, Felix ORCID: 0000-0003-0193-3542 (2024). Topological insulator nanowires: growth, characterization and superconducting proximity effect. PhD thesis, Universität zu Köln.

PDF PhD_Thesis_Felix_Muenning_UoC_2024.pdf - Published Version Download (30MB)

Abstract

Topological Insulator (TI) nanowires have attracted attention in recent years, not only because of the novel physics that are to be discovered in such systems, but also because they are a possible platform to realize Majorana fermions and topological quantum computation. In this thesis, electronic transport in TI nanowires is investigated. Bulk-insulating nanowires are grown by the vapor-liquid-solid method from the ternary topological insulators (Bi_{1-x}Sb_x)_2Te_3 ("BST") and Bi_2(Te_xSe_{1-x})_3 ("BTS"). At cryogenic temperatures, the particular properties of their quantum-confined topological surface states are studied through electrostatic gating, which gives rise to characteristic restiance oscillations originating from their quantized sub-band structure. In magnetic fields, Aharonov-Bohm-like oscillations are measured, and their peculiar pi-shift is observed. Furthermore, superconductivity is induced by the proximity effect from Nb and V (in the structure TiVTiAl) in nanowire Josesephson junction devices. The proximitization is characterized and interplay with the topological surface states is investigated. First attempts at tunneling spectroscopy on the proximitized TI nanowires are made.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Topologische Isolator Nanodrähte: Zucht, Charakterisierung und supraleitender Proximity-Effekt German
Translated abstract:	Abstract Language Topological Insulator (TI) Nanodrähte haben in den letzten Jahren Aufmerksamkeit erregt, nicht nur wegen der neuartigen Physikalischen Phänomene, die kontinuierlich in diesen Systemen entdeckt werden, sondern auch, weil sie eine vielversprechende Plattform zur Realisierung von Majorana-Fermionen und topologischem Quanten-Computing darstellen. In dieser Arbeit werden elektronische Transportphänomene in TI-Nanodrähten untersucht. Nanodrähte, die im inneren isolierend sind, werden mit der Vapor-Liquid-Solid-Methode aus den topologischen Isolatoren (Bi_{1-x}Sb_x)_2Te_3 ("BST") und Bi_2(Te_xSe_{1-x})_3 ("BTS") gezüchtet. Bei kryogenen Temperaturen werden die besonderen Eigenschaften ihrer drehimpulszahlquantisierten topologischen Oberflächenzustände über den elektrostatischen Feldeffekt untersucht, was zu charakteristischen Widerstandsschwankungen führt, die aus ihrer quantisierten Subbandstruktur hervorgehen. In Magnetfeldern werden Aharonov-Bohm-verwandte Oszillationen gemessen und deren einzigartige pi-Verschiebung beobachtet. Des weiteren wird Supraleitung über den Proximity-Effekt von Nb und V (in der Aufschichtung TiVTiAl) in lithografischen devices mit Nanodraht-Josephson-Kontakten induziert. Die Proximitisierung wird charakterisiert und das Zusammenspiel mit den topologischen Oberflächenzuständen untersucht. Es werden erste Versuche zur Tunnelspektroskopie an den proximitierten TI-Nanodrähten unternommen. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Münning, Felix felix@muenning.com orcid.org/0000-0003-0193-3542 UNSPECIFIED
Contributors:	Contribution Name Email Censor UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-731770
Date:	2024
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Topological Insulator, Nanowire, Vapor-Liquid-Solid, VLS, Crystal Growth, Bismuth, Antimony, Telluride, Tellurium, Selenium, Aharonov−Bohm oscillations, Josephson Junction, Superconductivity, Nanofabrication, Niobium, Vanadium, Low temperature transport, Cryogenic transport, Majorana, Majorana Bound States, Quantum Computing, ML4Q, Matter and Light for Quantum Computation English
Date of oral exam:	9 April 2024
Referee:	Name Academic Title Ando, Yoichi Prof. Dr. Lorenz, Thomas Prof. Dr. Trebst, Simon Prof. Dr.
References:	Münning, F., Breunig, O., Legg, H.F. et al. Quantum confinement of the Dirac surface states in topological-insulator nanowires. Nat Commun 12, 1038 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-21230-3
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/73177