dc.contributor.author
Braun, Lukas Zacharias
dc.date.accessioned
2018-06-07T17:57:56Z
dc.date.available
2017-03-20T11:38:23.695Z
dc.identifier.uri
https://refubium.fu-berlin.de/handle/fub188/4481
dc.identifier.uri
http://dx.doi.org/10.17169/refubium-8681
dc.description.abstract
Three-dimensional topological insulators are fascinating materials with
insulating bulk yet metallic surfaces that host highly mobile charge carriers
with a spin orientation locked to the propagation direction. Such spin-
velocity coupling facilitates the exciting possibility to launch spin-
polarized charge currents by simply applying electric fields. Remarkably,
illumination with light can also launch surface currents with tunable
direction and magnitude, thereby potentially making topological insulators
relevant for optoelectronic devices. In this thesis, we use terahertz (1 THz =
1 / ps) spectroscopy to investigate ultrafast charge-carrier dynamics in
topological insulators. We develop a technique to reliably measure ultrafast
photocurrents with unprecedented time resolution (20 fs) and apply this
technique to detect currents on the surface and in the bulk of topological
insulators. To also gain insight into the current dynamics of charge carriers
close to the Fermi energy, shortest available stimuli are desired with an
excitation energy below the thermal energy to meet conditions as in electronic
devices. Therefore, we use only recently available intense THz-electric fields
to drive near-equilibrium electrons and phonon dynamics in topological
insulators. We monitor electron and phonon dynamics by a pump-probe scheme
that detects the pump-induced changes in the dielectric function with
subsequent time-delayed probe pulses. To separate the contributions of surface
and bulk signals, we use thin-film samples and theoretical modeling of the
optical probe process. With this, we observe a coherent phonon at a buried
interface driven by a new mechanism that is resonant at the sum frequency
(rather than the difference frequency) of all frequency pairs of the THz-pump
spectrum. When the Fermi level position of our samples is tuned monotonously
from n-type to p-type conductance, we observe a correlated change of the pump-
induced THz-conductance. This dependence allows us to assign contributions of
electron-phonon dynamics related to the bulk and to the surface. Remarkably,
the strength of the electron-phonon coupling also depends on the Fermi level
that culminates in an extremely long-lived excited state at the Dirac point in
p-type topological insulators. Our measurements strongly suggest that the
often observed coupling of bulk and surface states is significantly reduced in
our p-type samples even at room temperature, where transport measurements
often find a bulk dominated conductance. Therefore, we believe that for
fundamental and applied reasons our results will stimulate further detailed
investigations of surface transport at THz frequencies.
de
dc.description.abstract
Topologische Isolatoren sind eine neuartige Klasse von Festkörpern, die sich
durch hervorragende Oberflächenleitfähigkeit auszeichnet, obwohl das Innere
des Festkörpers ein Isolator ist. Der Spin der Elektronen der metallischen
Oberflächenzustände ist an ihre Bewegungsrichtung gekoppelt. Deshalb können
spinpolarisierte Ströme durch das Anlegen eines äußeren elektrischen Feldes
einfach erzeugt werden. Bestrahlt man einen topologischen Isolator mit Licht,
so kann man Photoströme erzeugen, deren Größe und Richtung von der
Polarisation des Lichts abhängen. In der vorliegenden Arbeit wird Terahertz-
Spektroskopie (1 THz = 1/ps) eingesetzt, um die ultraschnelle Dynamik in
topologischen Isolatoren zu untersuchen. Dafür wurde ein Messverfahren
entwickelt um ultraschnelle Photoströme mit zuvor nicht erreichter
Zeitauflösung (20 fs) zu detektieren. Um darüber hinaus Einsichten in die
Dynamik von Ladungsträgern nahe der Fermi-Energie zu gewinnen, sind die
kürzest zur Verfügung stehenden Feldanregungen anzustreben, deren
Anregungsenergie unterhalb der thermischen Energie der Elektronen liegt. Für
diesen Zweck setzen wir intensive elektrische THz-Felder (1 THz = 4 meV) ein,
um Elektronen und Gitterschwingungen (Phononen) nahe des
Gleichgewichtzustandes anzuregen. Wir verfolgen die Dynamik von Elektronen und
Phononen mit Anrege-Abfrage Experimenten, die eine anregungsinduzierte
Änderung der dielektrischen Funktion mit zeitverzögerten Abfragepulsen
detektiert. Um Oberflächensignale vom Volumen zu unterscheiden, nutzen wir
dünne Probenfilme und theoretische Modelle zur Beschreibung der optischen
Abfrageprozesse. Somit werden wir empfindlich für verborgene Grenzflächen
zwischen Probe und Substrat. An der Grenzfläche beobachten wir eine kohärente
Gitterschwingung, die durch einen neuartigen Prozess angeregt wird, nämlich
einer Resonanz, beschrieben durch die Summe (im Gegensatz zur Differenz) aller
Frequenzpaare im Spektrum der Anregung. Wenn wir das Fermi-Niveau unserer
Proben monoton von n- nach p-Dotierung ändern, beobachten wir eine korrelierte
Änderung der THz-Leitfähigkeit, die wir einem Übergang von volumen- zu
oberflächendominierten Signalen zuordnen. Sie geht mit einer starken Änderung
der Elektronen-Phononen-Wechselwirkung einher, was sich insbesondere in einem
außerordentlich langlebigen Anregungszustand am Dirac-Punkt äußert. Unsere
Ergebnisse weisen auf eine stark reduzierte Wechselwirkung zwischen
Oberflächen- und Volumenzuständen in p-dotierten Proben hin, was sie von
Transportmessungen unterscheidet, die häufig bei Raumtemperatur ein
volumendominiertes Verhalten zeigen.
de
dc.format.extent
XII, 133 Seiten
dc.rights.uri
http://www.fu-berlin.de/sites/refubium/rechtliches/Nutzungsbedingungen
dc.subject
topological insulators
dc.subject
electron & phonon dynamics
dc.subject
terahertz technology
dc.subject
ultrafast spectroscopy
dc.subject
nonlinear optics, spintronics
dc.subject.ddc
500 Naturwissenschaften und Mathematik::530 Physik
dc.title
Electron and Phonon Dynamics in Topological Insulators at THz Frequencies
dc.contributor.firstReferee
Prof. Dr. Martin Wolf
dc.contributor.furtherReferee
Prof. Dr. Martin Weinelt
dc.date.accepted
2016-12-14
dc.identifier.urn
urn:nbn:de:kobv:188-fudissthesis000000104372-1
dc.title.translated
Elektronen- und Gitterdynamik in topologischen Isolatoren bei THz Frequenzen
de
refubium.affiliation
Physik
de
refubium.mycore.fudocsId
FUDISS_thesis_000000104372
refubium.mycore.derivateId
FUDISS_derivate_000000021219
dcterms.accessRights.dnb
free
dcterms.accessRights.openaire
open access