РТ – симметрия терагерцовой фотопроводимости в топологических изоляторах

КАРТОЧКА ПРОЕКТА ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ И ПОИСКОВЫХ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ,
ПОДДЕРЖАННОГО РОССИЙСКИМ НАУЧНЫМ ФОНДОМ

Информация подготовлена на основании данных из Информационно-аналитической системы РНФ, содержательная часть представлена в авторской редакции. Все права принадлежат авторам, использование или перепечатка материалов допустима только с предварительного согласия авторов.

ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Номер проекта 19-12-00034

НазваниеРТ – симметрия терагерцовой фотопроводимости в топологических изоляторах

Руководитель Хохлов Дмитрий Ремович, Доктор физико-математических наук

Организация финансирования, регион Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Московский государственный университет имени M.В.Ломоносова» , г Москва

Конкурс №35 - Конкурс 2019 года «Проведение фундаментальных научных исследований и поисковых научных исследований отдельными научными группами»

Область знания, основной код классификатора 02 - Физика и науки о космосе; 02-202 - Полупроводники

Ключевые слова терагерцовое излучение, фотопроводимость, топологические изоляторы, PT-симметрия

Код ГРНТИ29.19.31

ИНФОРМАЦИЯ ИЗ ЗАЯВКИ

Аннотация
Физика неэрмитовых систем является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований в последнее время. Неэрмитовы системы не являются замкнутыми, поскольку они характеризуются наличием потока энергии через систему. Это приводит к возможности появления целого ряда эффектов, к которым, в частности, относится PT (parity-time)-симметрия. Неэрмитовы гамильтонианы, обладающие PT-симметрией, т.е. инвариантностью относительно одновременного действия операторов зеркальной симметрии и обращения времени, могут обладать действительными значениями энергии. Большинство экспериментов по РТ-симметрии связано с оптическими свойствами материалов. Работы по проявлениям РТ-симметрии в фотоэлектрических характеристиках нам неизвестны. Один из интересных аспектов в физике неэрмитовых систем связан с топологическими явлениями в оптике. Этот интерес вырос из другой горячей темы в физике твердого тела - исследования топологических изоляторов. В трехмерных топологических изоляторах (ТИ) сильное спин-орбитальное взаимодействие приводит к инверсии энергетических уровней, соответствующих зоне проводимости и валентной зоне в объеме полупроводника. Как следствие, на поверхности 3D ТИ с необходимостью появляются двумерные топологические электронные состояния. Эти состояния характеризуются дираковским спектром с нулевой эффективной массой. Кроме того, направление спина электрона оказывается фиксированным перпендикулярно к его квазиимпульсу в плоскости поверхности, что препятствует рассеянию электронов назад, по крайней мере, в теории. Два упомянутых выше обстоятельства делают очень привлекательной идею использования электронного транспорта по топологическим поверхностным электронным состояниям в электронных устройствах. Полупроводниковые твердые растворы Hg1-xCdxTe представляют собой необычный случай реализации топологической фазы. Во-первых, спин-орбитальное взаимодействие уменьшается с увеличением содержания CdTe x в сплаве. Поэтому энергетический спектр электронов инвертирован и соответствует топологическому состоянию при х <0,16, а при х> 0,16 спектр является прямым, и формируется тривиальная фаза. Следовательно, можно осуществить переход между топологической и тривиальной фазами при изменении состава сплава. Кроме того, современные методы эпитаксиального роста позволяют синтезировать пленки Hg1-xCdxTe с малой концентрацией свободных носителей ~ 10^(14) см^(-3), что дает возможность измерять фотопроводимость на фоне этой довольно низкой равновесной концентрации. Настоящий проект направлен на изучение эффектов нарушения симметрии, возникающих в материалах с топологически нетривиальными фазами при комбинированном воздействии терагерцового излучения и магнитного поля. В рамках проекта основное внимание будет уделено исследованиям фотопроводимости в эпитаксиальных гетероструктурах на основе Hg1-xCdxTe. Подобные исследования будут проведены и для других топологически нетривиальных материалов различного типа. Указанные выше задачи сформулированы с учетом полученных нами предварительных экспериментальных данных, которые показали, что в пленках на основе Hg1-xCdxTe с инверсной структурой зон сигнал фотопроводимости оказывается асимметричным по магнитному полю. Данную ситуацию можно рассматривать как нарушение Т-симметрии. Эффект является совершенно необычным для материалов, в которых отсутствует встроенный магнитный момент. Кроме того, фотопроводимость оказывается несимметричной для двух зеркально расположенных пар потенциальных контактов, что можно трактовать как нарушение Р-симметрии. В то же время фотоотклик не изменяется при одновременной инверсии магнитного поля и замене пары потенциальных контактов на зеркально расположенную, демонстрируя PT-инвариантность. Важно подчеркнуть, что вышеуказанные эффекты нарушения симметрии наблюдаются только в неравновесной ситуации. Равновесные характеристики, такие как магнитосопротивление, симметричны по магнитному полю и не отличаются для зеркальных пар потенциальных контактов. Одной из важных задач проекта является объяснение эффекта РТ-симметрии, индуцированного терагерцовым излучением и магнитным полем в топологической фазе твердых растворов Hg1-xCdxTe. Кроме того, предлагается выяснить, наблюдаются ли эффекты РТ-симметрии фотопроводимости в других гетероструктурах на основе топологически нетривиальных фаз материалов.

ОТЧЁТНЫЕ МАТЕРИАЛЫ

Публикации

1. Казаков А.С., Галеева А.В., Артамкин А.И., Рябова Л.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Банников М.И., Данилов С.Н., Ганичев С.Д., Хохлов Д.Р. PT-Symmetric Terahertz Photoconductivity in Hg1-xCdxTe 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2019, 21 October 2019, номер статьи 19128440 (год публикации - 2019)
10.1109/IRMMW-THz.2019.8873775

2. Галеева А.В., Артамкин А.И., Казаков А.С., Банников М.И., Иконников А.В., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Данилов С.Н., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Competition between Positive and Negative Terahertz Photoconductivity in Variable Thickness Hg1-xCdxTe Epitaxial Layers 44th International Conference on Infrared, Millimeter, and Terahertz Waves, IRMMW-THz 2019, 21 October 2019, номер статьи 19128508 (год публикации - 2019)
10.1109/IRMMW-THz.2019.8873735

3. Галеева А.В., Казаков А.С., Артамкин А.И., Рябова Л.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Банников М.И., Данилов С.Н., Хохлов Д.Р. PT-symmetric terahertz photoconductivity in the topological phase of Hg1-xCdxTe-based structures Scientific Reports, v.10, p.2377 (год публикации - 2020)
10.1038/s41598-020-59280-0

4. Казаков А.С., Галеева А.В., Долженко Д.Е., Рябова Л.И., Банников М.И., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Хохлов Д.Р. Радиочастотная фотопроводимость в гетероструктурах на основе Hg1-xCdxTe Письма в ЖЭТФ, т.112, в.4, с.263-267 (год публикации - 2020)
10.31857/S1234567820160089

5. Галеева А.В., Казаков А.С., Артамкин А.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Банников М.И., Данилов С.Н., Рябова Л.И., Хохлов Д.Р. Особенности транспорта в топологической фазе Hg0.87Cd0.13Te в условиях терагерцового фотовозбуждения Физика и техника полупроводников, т.54, в.9, с.873-877 (год публикации - 2020)
10.21883/FTP.2020.09.49824.16

6. Казаков А.С., Галеева А.В., Артамкин А.И., Иконников А.В., Рябова Л.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Банников М.И., Данилов С.Н., Хохлов Д.Р. Non-local terahertz photoconductivity in the topological phase of Hg1-xCdxTe Scientific Reports, v.11, p.1587 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-81099-6

7. Казаков А.С., Галеева А.В., Артамкин А.И., Иконников А.В., Рябова Л.И., Дворецкий С.А., Михайлов Н.Н., Банников М.И., Данилов С.Н., Хохлов Д.Р. Distinction between electron states formed at topological insulator interfaces with the trivial phase and vacuum Scientific Reports, v.11, p.11638 (год публикации - 2021)
10.1038/s41598-021-91141-2

8. Казаков А.С., Галеева А.В., Иконников А.В., Долженко Д.Е., Рябова Л.И., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Банников М.И., Данилов С.Н., Хохлов Д.Р. Роли элементов гетероструктуры на основе топологической фазы Hg1-xCdxTe в эффекте РТ-симметричной терагерцовой фотопроводимости Письма в ЖЭТФ, т.113, в.8, с.548-552 (год публикации - 2021)
10.31857/S1234567821080103

Публикации