Rashba effect on Dirac fermions in graphene

Graphen ist eigentlich eine lange bekannte Form des Kohlenstoffs, deren elektronische Struktur bereits 1947 berechnet wurde und die auf Nickel Einkristallen schon in den Siebzigerjahren hergestellt wurde. Ber?hmt wurde Graphen, nachdem Andrei Geim und Konstantin Novoselov 2004 eine mikromechanische Spaltmethode zur Herstellung von frei tragendem Graphen vorgeschlagen haben. Sie konnten zeigen, dass die Elektronen im Graphen sich eher wie Licht verhalten als wie massive Teilchen, und erhielten 2010 den Physik Nobelpreis für grundlegende Experimente am zweidimensionalen Material Graphen . BeimRashba Effekt handelt es sich umeine Ausprägung der Spin Bahn Wechselwirkung. Beide beschreiben die Energieunterschiede, die ein Elektron zwischen zwei verschiedenen Orientierungen von Drehimpulsen erfährt. Dreht sich das Elektron im selben Sinne um sich selbst wie um den Kern des Atoms, in diesem Fall des Kohlenstoffs, nimmt es eine andere Energie an als in dem Falle, dass diese beiden Drehungen einander entgegen gerichtet sind. Dieser für die Atomphysik wesentliche Effekt wurde von Rashba für zweidimensionale Elektronensysteme, wie Graphen eines ist, beschrieben. Spin Bahn Wechselwirkung und Rashba Effekt spielen eine wichtige Rolle bei der Überführung der gegenwärtigen Elektronik, die die Ladung der Elektronen nutzt, in eine Spintronik, die auf dem Spin der Elektronen basiert. Bisher wird Graphen vor allem im Hinblick auf den Transport von Ladung untersucht, denn in der Spintronik wäre es zwar in der Lage, einen Spinstrom verlustarm zu transportieren, könnte aber diesen Spinstrom kaum beeinflussen, da es eine äu erst geringe Spin Bahn Wechselwirkung besitzt. DasWesen des Rashba Effekts ist die Kontrolle der Spin Bahn Wechselwirkung durch äu eren Einfluss. Auf dieser Grundlage wird in der gegenwärtigen Arbeit für verschiedene Systeme die Spin Bahn Aufspaltung mit der Methode der spin und winkelaufgelösten Photoelektronenspektroskopie gemessen. Hierzu wird das Graphen auf verschiedene Arten kristallin auf Einkristalle aufgebracht und mit Beugungsmethoden und mikroskopischen Methoden strukturell untersucht. Zunächst wird gezeigt, dass Graphen in Kontakt mit leichteren Elementen auf Siliziumkarbid und auf Silber keine hohe Spin Bahn Wechselwirkung zeigt. Dieser Befund bleibt auch auf Nickel und Kobalt derselbe. Allerdings gelingen zwei überraschende Entdeckungen. Zum einen wird Nickel in der Literatur als Prototyp eines Substrats angesehen, auf dem die Elektronen des Graphen ihr lichtartiges Verhalten verlieren und massiv werden. Es wird gezeigt, dass das nicht der Fall ist und sich ein perfekter sogenannter Dirac Kegel in der Photoelektronenspektroskopie zeigt. Da Nickel und Kobalt ferromagnetisch sind, ergibt sich nun die Möglichkeit, die Spins im Graphen auf ferromagnetische Weise, die grundsätzlich verschieden von der Spin Bahn Wechselwirkung ist, auszurichten. Das wird auf Kobaltsubstrat nachgewiesen. Das Hauptergebnis der Arbeit ist die Entdeckung einer um vier Grö enordnungen erhöhten Spin Bahn Aufspaltung von Graphen, wenn es in Kontakt mit Gold tritt. Um diesen experimentellen Befund zu erklären, schlie en sich aufwendige elektronische und strukturelle Untersuchungen an. Dass ein solcher riesiger Rashba Effekt in Graphen auch von anderen Elementen, die ähnlich schwer wie Gold sind, erzeugt werden kann und auf Hybridisierung beruht, wird schlie lich in einer abschlie enden Untersuchung von Graphen auf Iridium gezeigt. Dieses System unterscheidet sich in struktureller Hinsicht von Graphen auf Au, und neue Strukturen werden im Rahmen dieser Arbeit erstmals erklärt. Hier wird das das Zusammenspiel von Struktur, elektronischer Wechselwirkung mit dem Substrat und induzierter Rashba artiger Spin Bahn Wechselwirkung besonders deutlic

One-dimensional electronic structure of phosphorene chains

Phosphorene, a 2D allotrope of phosphorus, is technologically very appealing because of its semiconducting properties and narrow band gap. Further reduction of the phosphorene dimensionality may spawn exotic properties of its electronic structure, including lateral quantum confinement and topological edge states. Phosphorene atomic chains self-assembled on Ag(111) have recently been characterized structurally but were found by angle-resolved photoemission (ARPES) to be electronically 2D. We show that these chains, although aligned equiprobably to three directions of the Ag(111) surface, can be characterized by ARPES because the three rotational variants are separated in the angular domain. The dispersion of the phosphorus band measured along and perpendicular to the chains reveals pronounced electronic confinement resulting in a 1D band, flat and dispersionless perpendicular to the chain direction in momentum space. Our density functional theory calculations reproduce the 1D band for the experimentally determined structure of P/Ag(111). We predict a semiconductor-to-metal phase transition upon increasing the density of the chain array so that a 2D structure would be metallic

Observation of Quantum-Tunneling Modulated Spin Texture in Ultrathin Topological Insulator Bi2Se3 Films

Understanding the spin-texture behavior of boundary modes in ultrathin topological insulator films is critically essential for the design and fabrication of functional nano-devices. Here by using spin-resolved photoemission spectroscopy with p-polarized light in topological insulator Bi2Se3 thin films, we report tunneling-dependent evolution of spin configuration in topological insulator thin films across the metal-to-insulator transition. We observe strongly binding energy- and wavevector-dependent spin polarization for the topological surface electrons in the ultra-thin gapped-Dirac-cone limit. The polarization decreases significantly with enhanced tunneling realized systematically in thin insulating films, whereas magnitude of the polarization saturates to the bulk limit faster at larger wavevectors in thicker metallic films. We present a theoretical model which captures this delicate relationship between quantum tunneling and Fermi surface spin polarization. Our high-resolution spin-based spectroscopic results suggest that the polarization current can be tuned to zero in thin insulating films forming the basis for a future spin-switch nano-device.Comment: To appear in Nature Communications (2014); Expanded version of http://arxiv.org/abs/1307.548

Surface floating 2D bands in layered nonsymmorphic semimetals : ZrSiS and related compounds

Work at Argonne National Laboratory is supported by the U.S. Department of Energy, Office of Science, under Contract No. DE-AC02-06CH11357; additional support by National Science Foundation under Grant No. DMR-0703406. This work was partially supported by the DFG, proposal no. SCHO 1730/1-1.In this work, we present a model of the surface states of nonsymmorphic semimetals. These are derived from surface mass terms that lift the high degeneracy imposed on the band structure by the nonsymmorphic bulk symmetries. Reflecting the reduced symmetry at the surface, the bulk bands are strongly modified. This leads to the creation of two-dimensional floating or unpinned bands, which are distinct from Shockley states, quantum well states, or topologically protected surface states. We focus on the layered semimetal ZrSiS to clarify the origin of its surface states. We demonstrate an excellent agreement between density functional theory calculations and angle-resolved photoemission spectroscopy measurements and present an effective four-band model in which similar surface bands appear. Finally, we emphasize the role of the surface chemical potential by comparing the surface density of states in samples with and without potassium coating. Our findings can be extended to related compounds and generalized to other crystals with nonsymmorphic symmetries.Publisher PDFPeer reviewe

Colossal negative magnetoresistance in the complex charge density wave regime of an antiferromagnetic Dirac semimetal

Colossal magnetoresistance (MR) is a well-known phenomenon, notably observed in hole-doped ferromagnetic manganites. It remains a major research topic due to its potential in technological applications. Though topological semimetals also show large MR, its origin and nature are completely different. Here, we show that in the highly electron doped region, the Dirac semimetal CeSbTe demonstrates similar properties as the manganites. CeSb$_{0.11}$Te$_{1.90}$ hosts multiple charge density wave (CDW) modulation-vectors and has a complex magnetic phase diagram. We confirm that this compound is an antiferromagnetic Dirac semimetal. Despite having a metallic Fermi surface, the electronic transport properties are semiconductor-like and deviate from known theoretical models. An external magnetic field induces a semiconductor-metal-like transition, which results in a colossal negative MR. Moreover, signatures of the coupling between the CDW and a spin modulation are observed in resistivity. This spin modulation also produces a giant anomalous Hall response.Comment: 11 pages, 13 figure

The effect of the liquid plant growth stimulant seaweed seychelles on the germination of seeds of microgreens of coral radish (Raphanus sativus var. Sativus)

The article presents the results of a model experiment to study the effect of a liquid plant growth stimulant Seaweed Seychelles on the germination of seeds of microgreen of coral radish (Raphanus sativus var. Sativus). Seaweed is a source of natural plant growth hormones. Each of them is an important biostimulant of health. Auxin is known for its positive effect on the roots. It is used in synthetic hormones for rooting. Seaweed contains more than 60 trace elements and nutrients. First of all, it is potassium, nitrogen, phosphorus, iodine, manganese, molybdenum and boron. In the course of this study, it was found that the liquid plant growth stimulant Seaweed Seychelles significantly increases the germination of seeds of coral radish (Raphanus sativus var. Sativus). Seed germination was 98%. The phosphorus content increased by 14.5%, and the nitrogen content by 30%, the pH remained neutral. Seaweed Seychelles liquid stimulant actively affects radish sprouts and contributes to an increase in growth rate and quality