Трехмерный топологический изолятор на основе напряженного Hg Te

Трехмерный топологический изолятор на основе напряженного Hg. Te Дмитрий Козлов Институт физики полупроводников СО РАН, Новосибирск Екатеринбург - 2014 1

Соавторы работы: Д. А. Козлов Д. Х. Квон Е. Б. Ольшанецкий Н. Н. Михайлов С. А. Дворецкий Dieter Weiss Sabine Weishaeupl 2

План 1. 2. Образование поверхностных состояний в Hg. Te. Обнаружение поверхностных состояний в: ¡ ¡ ¡ классическом транспорте квантовом транспорте емкостных измерениях 3

Инвертированный зонный спектр объемного Hg. Te Normal spectrum (Ga. As, Cd. Te) Inverted spectrum (Hg. Te) EC, p-type (L = 1) J = 3/2; j = ± 1/2 EC, s-type (L = 0) J = 1/2; j = ± 1/2 g > 0 p-type (L = 1) J = 3/2; j = ± 1/2 p-type (L = 1) J = 1/2; j = ± 1/2 J = L + S; g - 0. 35 e. V EV, p-type (L = 1) J = 3/2; j = ± 3/2 EV, s-type (L = 0) J = 1/2; j = ± 1/2 p-type (L = 1) J = 1/2; j = ± 1/2 L = 1, S = 1/2 => J = 3/2 & J = 1/2 4

Образование поверхностных состояний B. A. Volkov, O. A. Pankratov, JETP Letters 1985; L. G. Gerchikov, A. V. Subashev, phys. stat. sol. (b) 160, 443 (1990) 5

Пленка Hg. Te должна иметь поверхностные состояния! 6

Напряжение Hg. Te приводит к образованию щели в Hg. Te Inverted spectrum (Hg. Te) small gap arises strain C. Brune et al. , PRL 106, 126803 (2011) 7

Экспериментальные образцы 8

rxx(Vg) and rxy(Vg): переход от дырок к электронам 9

Supposed band diagrams at different gate voltages 10

Подгонка rxx(B) и rxy(B) по двухкомпонентной модели Друде. Определение Ev 11

rxx(B) and rxy(B): типичные зависимости 12

Температурно-зависимое электрон-дырочное рассеяние Scattering of Dirac electrons on bulk holes results in rise of the resistivity. Scattering of Dirac and bulk electrons on each other is almost unnoticeable Landau scattering: E. B. Olshanetsky et al. , JETP Lett. 89, 290 (2009). 13

Идентификация дна зоны проводимости 14

Идентификация дна зоны проводимости: опять модель Друде 15

Квантовый эффект холла: зависимости от Vg 16

Формирование краевых каналов в обычном ДЭГ 17

В 3 D TI краевые каналы формируются на обеих поверхностях 18

Аномальная периодичность Шд. Г осцилляций… 19

… определяется концентрациями поверхностных электронов! 20

Сравнение концентраций, определенных различными методами 21

Как получить информацию о плотности состояний? 22

Эквивалентная схема образца 23

Схема измерений дифференциальной емкости 24

Результаты измерений 25

2 D-карта емкости 26

2 D-карта емкости 27

Заключение ¡ ¡ Впервые наблюдался контролируемый переход дырочный полуметалл – топологический изолятор – электронный метал Особенности, наблюдаемые в транспортном и емкостном отклике, позволяют выделить вклады отдельных поверхностей с дираковскими электронами 28

Interferometer based on 3 D TI 29

h/2 e-oscillations? 30

Классическая модель Друде для двух типов носителей 31

Классическая модель Друде для двух типов носителей 32

Band structures of Hg. Te QW: effect of QW width Heterostructure w (нм) 2 D Bands position vs QW depth 33

Strain opens a gap C. Brune et al. , PRL 106, 126803 (2011) 34