Физики исследуют, как течет ток в топологических изоляторах

Группа ученых из России и Германии, в которую вошли ученые Института физики полупроводников им. А. В. Ржанова СО РАН, обнаружила новые особенности протекания фототока в топологических изоляторах. Результаты работы, которая продолжает предыдущие исследования коллаборации специалистов, опубликованы в журнале Scientific Reports. Проект поддержан грантом Российского научного фонда. 

Топологические изоляторы ― соединения, проводящие электрический ток только по своей поверхности. При этом, даже если нарушить ее целостность, это не повлияет на протекание тока. В новой работе ученые установили, что несимметричная фотопроводимость (фототок) возникает на границе «топологический изолятор ― прямозонный полупроводник». Ранее считалось, что несимметричная фотопроводимость может возникать на краю топологического изолятора независимо от состава следующего слоя, например на границе «топологический изолятор ― вакуум». Новые данные важны для понимания физики топологических изоляторов ― одной из самых горячих тем современной науки. 

Ученые обнаружили новый эффект, облучая лазером многослойную полупроводниковую наноструктуру — твердый раствор теллурида кадмия ртути. Топологический изолятор в наноструктуре — это тонкая пленка с определенным содержанием кадмия и теллура. Несимметричная фотопроводимость возникала на границе между двумя слоями твердого раствора. 

Наноструктуру вырастили специалисты ИФП СО РАН методом молекулярно-лучевой эпитаксии. Общая толщина активных слоев, где наблюдалась несимметричная фотопроводимость, — меньше шести микрон. Для синтеза подобных структур, где состав варьируется на уровне отдельных атомов, необходима высокая квалификация исследователей.

«Наш вклад в работу ― выращивание таких гетероструктур с изменением состава и созданием слоев теллурида кадмия ртути переменного состава, при переходе от прямозонного электронного спектра к инверсному и далее, опять к прямозонному, в едином технологическом процессе, ― объясняет ведущий научный сотрудник ИФП СО РАН кандидат физико-математических наук Сергей Алексеевич Дворецкий. ― Именно в этих образцах наблюдалась терагерцовая фотопроводимость за счет краевой проводимости (не объемной или поверхностной)». 

Полупроводник с прямозонным электронным спектром, упрощенно говоря, — это привычный, хорошо изученный материал, удобный для создания фотодиодов, фоторезисторов. А полупроводник с инверсным (перевернутым) электронным спектром — топологический изолятор, на его поверхности возникают топологические электронные состояния, не зависящие от дефектов последней.

«Наиболее вероятный кандидат для появления несимметричной фотопроводимости ― интерфейс между начальным слоем прямозонного теллурида кадмия ртути и инверсным. К тому же, что необычно для таких систем, фототоки являются хиральными, то есть проходят вокруг образца вдоль его края и меняют направление на противоположное при изменении знака напряжения или смещении магнитного поля. Тем не менее удовлетворительного объяснения этим наблюдениям пока нет», ― отмечает Сергей Дворецкий.

«О практическом использовании топологических изоляторов на сегодняшний день говорить преждевременно. Однако наличие в них особых электронных состояний делает их привлекательными для использования в электронике, ведь это свойство позволяет материалу эффективно проводить электрический ток. Кроме того, такие состояния очень устойчивы к различным повреждениям: например, если испортить поверхность полупроводника, они никуда не исчезнут. Однако, чтобы использовать ценные свойства топологических изоляторов на практике, необходимо еще много серьезных исследований», — цитирует пресс-служба Российского научного фонда руководителя гранта РНФ, руководителя лаборатории физики полупроводников физического факультета Московского государственного университета им. М. В. Ломоносова профессора, члена-корреспондента РАН Дмитрия Ремовича Хохлова.

Пресс-служба ИФП СО РАН