Characterization of topologically protected surface states in three-dimensional topological crystalline insulators

Resumo

In three-dimensional topological Insulators, the topologically protected helical surface conducting states exist along with the bulk insulating states. In a class of topological insulators, namely topological crystalline insulators, the protection role of surface states is taken by crystalline symmetry instead of time-reversal symmetry. These exotic characteristics bring about potential applications in logic devices, thermoelectricity or quantum computers [18]. However, due to some critical challenges (like their compatibility with the existing devices, their fabrication processes as well as their compatibility with topological or quantum behavior under external stimuli, working temperature range, cost efficiency, practical structure and ease of use), topological materials are still lagging in device applications [18]. In this regard, this thesis aims at investigating the fundamental properties of a topological crystalline insulator, 𝑃𝑏0.77𝑆𝑛0.23𝑆𝑒, based on Raman characterization at different temperature ranges and low magnetic fields as well as magneto-transport of its Hall bar devices at low temperatures, albeit with meeting challenges in fabrication and characterization. The Raman response of this material at relaxed conditions confirms the presence of topological surface states. Moreover, temperature-dependent Raman characterizations indicate that both surface states and their bulk counterparts contribute to the Raman response considering the interplay of electrons and phonons. Furthermore, our findings based on magnetic-field dependent Raman characterization demonstrate that the surface states are topologically protected by symmetry. These Raman results are also corroborated with magnetotransport characterizations, revealing the prominent role of an inherent attribute of this material based on strong spin-orbit coupling. Our results pave the way for electron studies in field-effect transistors based on topological phase transitions. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------ En aislantes topológicos tridimensionales, los estados conductibles superficiales helicoidales protegidos topológicamente coexisten a la vez con los estados aislantes en masa. Dentro de la clase de los aislantes topológicos, es decir aislantes cristalinos topológicos, el rol de protección de estados superficiales se cumple por simetría cristalina en vez de simetría de inversión de tiempo. Estas características exóticas crean aplicaciones potenciales para dispositivos lógicos, termoelectricidad u ordenadores cuánticos [18]. Sin embargo, debido a algunos desafíos críticos (como su compatibilidad con dispositivos existentes, sus procesos de fabricación además de con su compatibilidad con comportamiento topológico o cuántico bajo estimulo externo, rango de temperatura de funcionamiento, eficiencia de costo, estructura practica y facilidad de uso), estos materiales topológicos aun no consiguen alcanzar una velocidad alta en los dispositivos [18]. A este respeto, esta tesis intenta investigar las propiedades fundamentales de un aislante cristalino tipológico, Pb0.77Sn0.23Se, basada en la caracterización de Raman en Rangos de temperatura diversos y campos magnéticos bajos además de transporte magnético de sus dispositivos de barra de Hall a temperaturas bajas, aunque cumpliendo desafíos en la fabricación y caracterización. La respuesta de Raman de este material en condiciones relajadas confirma la presencia de estados superficiales topológicos. Por otra parte, las caracterizadores de Raman que dependen de la temperatura indican que los estados superficiales y sus equivalentes en masa contribuyen a la respuesta de Raman tomando en cuenta la interacción de electrones y fonones. Además, nuestros descubrimientos basados en caracterización de Raman que dependen de campos magnéticos demuestran que los estados superficiales están protegidos topológicamente por la simetría. Estos resultados están también corroborados por caracterizaciones de transporte magnético, revelando el rol destacado de un atributo inherente de este material basado en el fuerte acoplamiento orbita-vuelta. Nuestros resultados allanan el camino para estudios de electrones en transistores de efecto campo basados en transiciones de fases topológicas.