Topological insulators and magnetic order

Abstract

The occurrence of various defects can strongly influence the physical properties of real materials. Depending on their type, new outstanding features can arise, but also charac- teristic behavior might be lost. This thesis is dedicated to the impact of diverse disorder's presence on the physical behavior of three-dimensional topological insulators, namely, the well-known Bi2Se3 compound. Despite possessing a band gap in the bulk, these materials host unique metallic surface states protected by the time-reversal symmetry. Thus, the surface states are robust against perturbation, which respects the protecting symmetry. Breaking the symmetry, e.g. by the magnetic field, can open the surface gaps. In this work, the influence of the magnetic as well as native chemical defects, occurring in the real samples, on the electronic structure is described. Notably, the dispersion of the sur- face metallic states is followed up. Since the surface gap can be opened by the magnetic field, magnetic exchange interactions and related Curie temperatures of magnetic defects are thoroughly studied. Particularly, the influence of disorder on the character of the exchange interactions and related Curie temperatures is described. Dealing with layered systems, the behavior of planar defects might be inspected. Therefore, the...

Přítomnost defektů může významně ovlivnit fyzikálních vlastnosti materiálů. V závis- losti na povaze poruch je možné docílit zcela nových neobvyklých vlastností, ale i ztráty jejich jinak charakteristického chování. V této práci je rozebrán vliv vybraných defektů na fyzikální vlastnosti trojrozměrných topologických izolátorů, jmenovitě známé sloučeniny Bi2Se3. Navzdory přítomnosti zakázaného pásu v objemu materiálu se zde vyskytují neob- vyklé vodivé povrchové stavy chráněné časově reverzibilní symetrií. Ta zajišťuje stálost takových stavů vůči všem poruchám ji respektujícím. V opačném případě, např. přítom- ností magnetického pole, je naopak možné vyvolat jejich ztrátu. Náplní práce je popis vlivu jak magnetických příměsí tak přirozeně se vyskytujících defektů na elektronovou strukturu a z ní vyplývající fyzikální vlastnosti. Zejména je pak sledován vliv na disperzi povrchových stavů. Jelikož přítomnost povrchový stavů lze ovlivnit magnetickým polem, jsou zde rovněž pojednány magnetické výměnné interakce a s nimi související Curieovy teploty spojené s magnetickými příměsemi. Řešení zkoumaných vrstevnatých struktur v neposlední řadě pak dovoluje zabývat se nejen bodovými ale i rovinnými defekty jako jsou roviny dvojčatění a jejich vztahem k ostatním studovaným poruchám. 1