Helikale Rand- und Oberflächenzustände in HgTe-Quantenpunkten und volumetrischen Isolatoren

Der Quanten-Spins-Hall (QSH)-Effekt ist eine Eigenschaft eines neuen Zustands der Materie, der die Zeitumkehrung bewahrt, eine Energielücke im Volumen aufweist, aber topologisch robuste lückenlose Zustände am Rand hat. Kürzlich wurde der QSH-Zustand theoretisch vorhergesagt und experimentell in HgTe-Quantenpunkten beobachtet (B. A. Bernevig et al., Science 34, 1757 (2006); M. Konig et al., ibid. 318, 766 (2007)). In dieser Arbeit gehen wir von realistischen Tight-Binding-Modellen aus und demonstrieren die Existenz der helical Randzustände in HgTe-Quantenpunkten und berechnen ihre physikalischen Eigenschaften. Wir zeigen auch, dass dreidimensionales HgTe ein topologischer Isolator unter einaxialer Spannung ist und dass die Oberflächenzustände durch einkomponenten-massenlose relativistische Dirac-Fermionen in 2+1 Dimensionen beschrieben werden. Experimentelle Vorhersagen basieren auf den quantitativen Ergebnissen, die aus realistischen Berechnungen gewonnen wurden.