Терагерцовое зондирование топологически нетривиальных материалов

Физика топологических изоляторов является, пожалуй, одной из наиболее «горячих» тем в физике конденсированного состояния за последнее десятилетие. В топологических изоляторах в силу сильного спин-орбитального взаимодействия расположение валентной зоны и зоны проводимости оказывается инвертированным по отношению к случаю, когда такое взаимодействие мало или отсутствует. В такой ситуации на границе раздела двух полупроводников, один из которых обладает инверсным энергетическим спектром, а другой — тривиальным, либо на границе топологический изолятор — вакуум образуются особые двумерные электронные состояния, которые характеризуются некоторыми яркими особенностями.

Прежде всего, закон дисперсии этих поверхностных состояний, т.е. зависимость энергии от квазиимпульса, является не квадратичной, как это обычно бывает в полупроводниках, а линейной, удовлетворяющей уравнению Дирака с нулевой щелью. В случае линейного закона дисперсии эффективная масса электронов и дырок, осуществляющих проводимость по этой зоне, в теории равна нулю. Вторая важная особенность обусловлена нетривиальной спиновой структурой топологических электронных состояний, поскольку ориентация спина электрона оказывается жестко привязанной к направлению квазиимпульса по нормали к нему. Это свойство обеспечивает отсутствие, по крайней мере, в теории, рассеяния электронов назад.

Обозначенные выше особенности поверхностных топологических электронных состояний должны обеспечивать очень высокую подвижность носителей заряда по поверхностной зоне, что является крайне привлекательным для создания быстродействующих электронных устройств. Если бы полупроводник, в котором формируются топологические поверхностные состояния, был идеальным, то при низких температурах его объем был бы изолирующим, и проводимость по поверхностным топологическим состояниям определяла бы проводимость всего образца. Тогда можно было бы говорить о «топологическом изоляторе».

К сожалению, в реальной ситуации топологические изоляторы в подавляющем большинстве случаев изоляторами не являются. Дело в том, что соответствующие материалы оказываются достаточно дефектными, что приводит к появлению значительной концентрации свободных носителей заряда в объеме образца. Толщина слоя, в котором существуют топологические состояния, составляет всего 2–3 нм. Поэтому если проводимость по объему полупроводника является значительной, то она шунтирует проводимость по топологическому слою.

В связи с вышеописанными сложностями возникла проблема, связанная с изучением электронного транспорта по топологическим поверхностным состояниям. Один из подходов к решению этой проблемы связан с терагерцовым зондированием фотоэлектрических характеристик полупроводника. Оказалось, что данный подход является весьма эффективным, поскольку он в некоторых случаях является нечувствительным к концентрации носителей заряда в объеме материала, и наблюдаемые эффекты определяются, в основном, именно свойствами топологических поверхностных состояний.

Исследования в этом направлении проводились совместными усилиями нашей группы с кафедры общей физики и физики конденсированного состояния физического факультета МГУ и терагерцового центра на физическом факультете университета Регенсбурга (Германия), руководитель — профессор С.Д. Ганичев. В результате было получено несколько интересных новых результатов, как уже опубликованных в ведущих международных журналах, так и готовящихся к публикации.

Одним из главных подходов в наших исследованиях является следующий. Во многих случаях величина спин-орбитального взаимодействия, как и взаимное расположение зон, может изменяться, если создавать полупроводниковые твердые растворы. В этой ситуации возможен переход топологический изолятор — тривиальный полупроводник при изменении состава. Тогда если предположить, что какой-либо наблюдаемый эффект определяется топологическими поверхностными состояниями, то он должен исчезать при переходе в тривиальную фазу.

Мы проводили исследования фотоэлектромагнитного (ФЭМ) эффекта, индуцируемого мощным импульсным лазерным терагерцовым возбуждением, в ряду полупроводниковых твердых растворов (Bi1-xInx)2Se3, для которых при х = 0.05 наблюдается переход из топологической в тривиальную фазу. Фотоэлектромагнитным эффектом называется появление разности потенциалов между контактами образца при падении излучения нормально к его поверхности при приложении перпендикулярного магнитного поля (рис. 1). Возникновение этой разности потенциалов связано с действием силы Лоренца при диффузии электронов, возбужденных на поверхности образца.

Было установлено, что если для тривиальной фазы амплитуда эффекта UPEM определяется мощностью падающего лазерного терагерцового излучения, то для топологической фазы величина UPEM изменяется пропорционально количеству квантов излучения, падающих на образец в единицу времени, независимо от длины волны (рис. 2). Эффект связывается с резким замедлением термализации горячих электронов в топологической фазе материала по сравнению с тривиальной.

Рис. 1. Геометрия эксперимента при исследовании ФЭМ эффекта

Это может быть обусловлено значительным уменьшением количества эффективно взаимодействующих электронов в топологической фазе, поскольку при таком взаимодействии должно сохраняться направление спина, в свою очередь, привязанное к направлению квазиимпульса (A.V. Galeeva et al., Semiconductor Science and Technology, 31, 095010 (2016)).

Рис. 2. Верхние панели: зависимость амплитуды ФЭМ эффекта от мощности лазерного излучения при Т = 4.2 К для длин волн лазерного излучения 90, 148 и 280 мкм для образцов (Bi1-xInx)2Se3 с инверсным спектром (х = 0) и с прямым спектром (х = 0.12). Нижние панели: зависимость амплитуды ФЭМ эффекта от потока падающих квантов для длин волн лазерного излучения 90, 149 и 280 мкм для образцов(Bi1-xInx)2Se3 с инверсным спектром (х = 0) и с прямым спектром (х = 0.12).

Аналогичный эффект наблюдался в твердых растворах (Cd1-xZnx)3As2 на основе дираковских полуметаллов Cd3As2, для которых состояния с дираковским спектром формируются не на поверхности, а в объеме материала (A.V. Galeeva et al., Beilstein Journal of Nanotechnology, 8, 167 (2017)).

Другие интересные результаты получены при исследовании твердых растворов Hg1-xCdxTe. По сравнению с известными топологическими изоляторами (соединениями на основе Bi2Se3, Bi2Te3) твердые растворы Hg1-xCdxTe имеют ряд отличительных особенностей. При Т = 0 бесщелевое состояние с инверсным спектром в объеме в этой системе реализуется в достаточно протяженной области составов x < 0.17. При х > 0.17 спектр становится прямым, положительная ширина запрещенной зоны увеличивается с ростом содержания CdTe х. Весьма существенно, что, в отличие от большинства топологических изоляторов, в твердых растворах Hg1-xCdxTe удается реализовать низкие значения концентрации свободных носителей в объеме. В связи с этим оказалось возможным исследовать не только ФЭМ эффект, но и фотопроводимость.

Удалось обнаружить, что при переходе из топологической фазы в тривиальную изменяется знак терагерцовой фотопроводимости — с положительного на отрицательный. Более того, было показано, что оба эффекта являются беспороговыми, т.е. они наблюдаются даже при минимальной энергии кванта терагерцового излучения около 2 мэВ. И если достаточно естественным объяснением отрицательной фотопроводимости является разогрев электронов, сопровождающийся уменьшением их подвижности, то для интерпретации появления беспороговой положительной фотопроводимости приходится предположить, что она обусловлена процессами на границе раздела «топологическая» пленка — «тривиальный» буферный слой (А.В. Галеева и др., Письма в ЖЭТФ, 106, 156 (2017)); A.V. Galeeva et al., Beilstein Journal of Nanotechnology, 9, 1035 (2018)).

Однако самый интересный результат пока еще не опубликован и связан с исследованием фотопроводимости в твердых растворах Hg1-xCdxTe в магнитном поле. Наши предварительные эксперименты показали, что в пленках на основе Hg1-xCdxTe с инверсной структурой зон сигнал фотопроводимости оказывается асимметричным по магнитному полю (рис. 3). 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.

Рис. 3. Кинетика фотопроводимости в пленке Hg1-xCdxTe с инверсным спектром под действием лазерного импульса с длиной волны 280 мкм в магнитном поле положительной (a) и отрицательной (b) полярности. Схема измерений фотопроводимости показана на вставке.

Исследование систем, проявляющих, РТ-симметрию, стало одним из быстро развивающихся направлений современной физики в последние два-три года. В основном, это оптические свойства фотонных систем, основанных на метаматериалах. Похоже, в данном случае мы видим первую реализацию РТ-симметрии в фотоэлектрических характеристиках.

Наша научная группа

Д.Р. Хохлов, заведующий кафедрой общей физики и физики конденсированного состояния, член-корр. РАН