РТ-симметрия терагерцовой фотопроводимости в структурах на основе Hg1-xCdxTe с инверсным спектром

Abstract

Исследования топологических изоляторов являются одной из «горячих» тем современной физики конденсированного состояния. В трехмерных топологических изоляторах (ТИ) сильное спинорбитальное 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 низкой свободной концентрацией носителей ~ 1014 см-3 . В работе представлены экспериментальные результаты по исследованию фотопроводимости, возбуждаемой импульсами терагерцового лазера, в эпитаксиальных пленках Hg1-xCdxTe в непосредственной близости от точки инверсии зон. В отсутствие магнитного поля наблюдалась положительная и отрицательная фотопроводимость в образцах с инвертированным и прямым энергетическим спектром, соответственно [1,2]. Показано, 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 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. В работе обсуждаются возможные механизмы, приводящие к появлению PT-симметричной терагерцовой фотопроводимости.