On topological properties of materials
Authors: Φράγκος Σωτήριος 
Published: February 2023

Τα τοπολογικά υλικά είναι υλικά των οποίων οι ιδιότητες παραμένουν αμετάβλητες υπό συνεχείς μετασχηματισμούς. Οι τοπολογικοί μονωτές είναι μονωτές εσωτερικά και αγώγιμοι στην επιφάνεια. Σε μια άλλη κατηγορία τοπολογικών υλικών, το υλικό είναι ημιμέταλλο όπου οι ζώνες σθένους και αγωγιμότητάς τους τέμνονται πάνω ή κοντά στο επίπεδο Fermi. Ανάλογα με το αν οι ζώνες είναι μη ή διπλά εκφυλισμένες, ένα τοπολογικό υλικό ονομάζεται τοπολογικό ημιμέταλλο Weyl ή Dirac, αντίστοιχα. Τα τυπικά τοπολογικά υλικά διαθέτουν τρισδιάστατες κρυσταλλικές δομές που συχνά σχηματίζονται ως πολυστρωματικοί κρύσταλλοι. Ωστόσο, η έρευνα έχει επικεντρωθεί τελευταία σε δισδιάστατα τοπολογικά υλικά van der Waals λόγω των μοναδικών κβαντικών ηλεκτρονικών ιδιοτήτων τους και της μειωμένης τους διάστασης.Η παρούσα διδακτορική διατριβή στοχεύει στην παρουσίαση θεωρητικών και πειραματικών αποτελεσμάτων που συμβάλλουν στην έρευνα πάνω στα δισδιάστατα τοπολογικά υλικά. Πρώτον, κατασκευάσαμε επιταξιακά φυσικές υπερδομές van der Waals (SnBi2Te4)n(Bi2Te3)m. Η ύπαρξη τοπολογικών επιφανειακών καταστάσεων επιβεβαιώνεται με τη χρήση υπολογισμών πρώτων αρχών σε συνδυασμό με τη γωνιακός εξαρτώμενη φασματοσκοπία φωτοεκπομπής in-situ και σύγχροτρον. Η παρουσία τους συσχετίζεται επίσης με την εμφάνιση του φαινομένου ασθενούς αντιεντοπισμού που παρατηρείται με τις μετρήσεις μαγνητομεταφοράς.Επιπλέον, αναφέρουμε την άμεση παρατήρηση της κρίσιμης ορθορομβικής μη κεντροσυμμετρικής ημιμεταλλικής φάσης Weyl Td σε θερμοκρασία δωματίου, σε επιταξιακά υμένια MoTe2 τριών μονοστρωμάτων, που δημιουργούνται στρώμα προς στρώμα σε υποστρώματα InAs μέσω επιταξίας με μοριακές δέσμες. Οι πλεγματικές σταθερές της επιταξιακής ορθορομβικής μας φάσης βρέθηκαν να είναι σημαντικά μεγαλύτερες από τις πειραματικές τιμές από των πολυστρωματικών κρυστάλλων φάσης Td του MoTe2 που δημοσιεύθηκαν προηγουμένως. Σε αυτή τη μελέτη, υποστηρίζουμε ότι η σταθεροποίηση της φάσης Td σε θερμοκρασία δωματίου σε επιταξιακές λεπτές μεμβράνες επηρεάζεται σημαντικά από τις παραμέτρους του διογκωμένου πλέγματος, καθώς και η ενεργειακή θέση των σημείων Weyl.Επιπλέον, η οικογένεια των μεταβατικών μετάλλων διτελλουριδίων της ομάδας IV μελετάται με θεωρητικούς υπολογισμούς, όπου τα HfTe2 και ZrTe2 ταξινομούνται ως τοπολογικά ημιμέταλλα Dirac τύπου-Ι και τύπου-ΙΙ, αντίστοιχα. Επιπρόσθετα, προτείνεται μια νέα φάση τύπου-III, η οποία επιτυγχάνεται μέσω μιας τοπολογικής μετάβασης φάσης, με κράμα των δύο υλικών σε συνδυασμό με την εφαρμογή ενδοεπίπεδων τάσεων. Αυτή η τάση μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την εναλλαγή μεταξύ των δύο τύπων ημιμετάλλων Dirac. Κατασκευάσαμε με επιτυχία το επιθυμητό κράμα χρησιμοποιώντας επιταξία με μοριακές δέσμες και πραγματοποιήσαμε γωνιακός εξαρτώμενη φασματοσκοπία φωτοεκπομπής, όπου παρατηρήθηκε η τοπολογική ημιμεταλλική συμπεριφορά Dirac.Τέλος, παρουσιάζονται θεωρητικά αποτελέσματα του WTe2, και σε μικρότερο βαθμό του MoTe2, σε μια ετεροδομή van der Waals με τον δισδιάστατο σιδηρομαγνήτη CrTe2. Το WTe2 και το MoTe2 είναι τοπολογικά ημιμέταλλα Weyl σε μεγάλα πάχη και δισδιάστατοι τοπολογικοί μονωτές σε πάχος ενός μονοστρώματος, και είναι πολλά υποσχόμενα για εφαρμογές στη σπιντρονική. Τα ευρήματά μας υποδηλώνουν ότι παράγεται μία διεπιφανειακή αλληλεπίδραση Dzyaloshinskii-Moriya αρκετά ισχυρή ώστε να δημιουργήσει πλέγμα σκυρμιονίων τύπου Néel του οποίου η δυναμική ελέγχεται υπό εξωτερικά μαγνητικά πεδία και τη θερμοκρασία. Αυτή η μελέτη δείχνει επίσης ότι η δημιουργία και η εξάλειψη των σκυρμιονίων στην ετεροδομή CrTe2/WTe2 μπορεί να επιτευχθεί και ότι η κίνηση των σκυρμιονίων μπορεί να επιτευχθεί με εξαιρετικά χαμηλά πολωμένα ρεύματα σπιν.