Investigating spin-split surface states on semimetals and correlation effects in a ferromagnet

Abstract

Denne avhandlingen består av en samling av fire prosjekter, hvor hver kombinerer en eksperimentell og teoretisk fremgangsmåte. Prosjektene er hovedsakelig basert på de samme eksperimentelle teknikkene, fotoemisjonsspektroskopi, og det samme teoretiske rammeverket, tetthets-funksjonell teori og fotoemisjonsimuleringer. De to første prosjektene tar for seg de elektroniske egenskapene til en unik lavdimensjonal overflate av vismut og antimon, og mer spesifikt om det eksisterer spinnpolariserte overflatetilstander. Disse lavdimensjonale elektroniske tilstandene er splittet av spinn-banekobling og den brutte inversjonsymmetrien på overflaten, noe som fører til ekstraordinære transportegenskaper som er av interesse for applikasjoner innen spinntronikk. Slike applikasjoner inkluderer spinnfiltre og produksjon av spinnpolarisert elektrisk strøm. I tillegg kan de eksperimentelle funnene kaste nytt lys på validiteten til topologisk båndteori i form av prediksjoner av topologisk beskyttede overflatetilstander på materialer som ikke er helverdige elektriske isolatorer, men som har et delvis båndgap. I det tredje prosjektet undersøkes forskjellige vekstforhold for atomært tynne metalliske lag, kjent som deltalag, begravet i en silisiumkrystall. Deltalag har vist seg å ha interessante elektroniske egenskaper på grunn av den lokaliserte tilstanden til ladningsbærerne, og fungerer som en arena for å undersøke todimensjonale elektrongasser [1]. Materialer som ikke tidligere har vært anvendt i vekst av deltalag har blitt undersøkt her, noe som kan føre til nye egenskaper for den todimensjonale elektrongassen. Den siste av de fire prosjektene undersøker korrelasjonseffekter i nikkel utover Fermivæskemodellen. Koblinger mellom elektroner og bosoner har blitt identifisert gjennom en analyse av selvenergien til kvasipartiklene. Mer spesifikt undersøkes interaksjonen mellom elektroner og magnoner, noe som er særdeles viktig i forståelsen av magnonbasert superledning [2]. Alle resultatene fra denne avhandlingen bidrar til pågående forskning som er planlagt å fortsette i tiden etter avhandlingen skrives, og muligheter for fremtidige forskningsprospekter vil bli diskutert.

This thesis comprises a collection of four case studies, each of which combines an experimental and theoretical approach. The case studies are largely based on the same experimental techniques, photoemission spectroscopy, the same theoretical framework, density functional theory, and photoemission simulation. The first two studies are concerned with the electronic properties of a unique low-dimensional surface of bismuth and antimony, and in particular the existence of spin-polarized surface states. These low-dimensional electronic states are split by the spin-orbit interaction and the broken inversion symmetry of the surface, resulting in peculiar transport properties which are of interest in spintronic applications. Such applications include spin-filtering or the generation of a spin-polarized electric current. In addition, the experimental findings may shed new light on the validity of topological band theory in the specific case of topologically protected surface states on materials that are not properly insulating but exhibit a projected partial band gap. The third study investigates different growth procedures for atomically thin metallic layers, known as delta-layers, embedded in a single crystal of silicon. Delta-layers have been found to display interesting electronic properties due to the confined nature of the charge carriers and serve as a testbed for studying two-dimensional electron gases [1]. Materials that have not been previously used for delta-layer growth was investigated here, which may result in different properties of the two-dimensional electron gas. The last of the four studies is a search for correlation effects in nickel beyond the Fermi liquid description. Couplings between electrons and bosonic modes were identified by analysis of the quasiparticle self-energy. In particular couplings between electrons and magnons, which are vital in the understanding of magnon-mediated superconductivity [2]. All results from this thesis contribute to ongoing research that is planned to continue after the time of writing, with possibilities of future research prospects also commented upon.