WikiDer > Квантовый спиновый эффект Холла

Quantum spin Hall effect

В квантовое спиновое холловское состояние это состояние дела предлагается существовать в специальных, двухмерных, полупроводники которые имеют квантованную спин-холловскую проводимость и нулевую зарядовую холловскую проводимость. Квантовое спиновое холловское состояние материи является двоюродным братом целого числа квантовый зал состояние, и это не требует приложения большого магнитного поля. Квантовое спиновое холловское состояние не нарушает симметрию сохранения заряда и спин- симметрия сохранения (чтобы иметь хорошо определенные холловские проводимости).

Описание

Первое предположение о существовании квантового спинового холловского состояния было разработано Чарльз Кейн и Джин Мел[1] который адаптировал более раннюю модель графена Ф. Дункан М. Холдейн[2] который демонстрирует целочисленный квантовый эффект Холла. Модель Кейна и Меле представляет собой две копии модели Холдейна, в которой электрон со спином вверх демонстрирует киральный целочисленный квантовый эффект Холла, в то время как электрон со спином вниз демонстрирует антихиральное целое число. квантовый зал эффект. Релятивистская версия квантового спинового эффекта Холла была введена в 1990-е годы для численного моделирования киральных калибровочных теорий;[3][4] простейший пример, состоящий из симметричной четности и обращения времени U (1) калибровочная теория с объемными фермионами противоположного знака массы, безмассовой поверхностной модой Дирака и объемными токами, несущими хиральность, но не заряженными (аналог спинового холловского тока). В целом модель Кейна-Меле имеет зарядовую холловскую проводимость ровно нулю, но спин-холловскую проводимость точно равную нулю. (в единицах ). Независимо, квантовая спиновая модель Холла была предложена Андрей Берневиг [де] и Шоучэн Чжан[5] в сложной архитектуре деформации, которая из-за спин-орбитальной связи создает магнитное поле, направленное вверх для электронов со спином вверх, и магнитное поле, направленное вниз для электронов со спином вниз. Главный ингредиент - наличие спин-орбитальная связь, который можно понимать как зависящее от импульса магнитное поле, связанное со спином электрона.

Однако реальные экспериментальные системы далеки от представленной выше идеализированной картины, в которой электроны со спином вверх и вниз не связаны. Очень важным достижением было осознание того, что квантовое спиновое холловское состояние остается нетривиальным даже после введения рассеяния со спином вверх и спином вниз,[6] который разрушает квантовый спиновый эффект Холла. В отдельной статье Кейн и Меле ввели топологический инвариант, который характеризует состояние как тривиальный или нетривиальный зонный изолятор (независимо от того, проявляет ли состояние квантовый спиновый эффект Холла или нет). Дальнейшие исследования стабильности краевой жидкости, через которую имеет место проводимость в квантовом спиновом холловском состоянии, показали, как аналитически, так и численно, что нетривиальное состояние устойчиво как к взаимодействиям, так и к дополнительным условиям спин-орбитальной связи, которые смешивают спин-вверх и спин-вверх. вниз электроны. Такое нетривиальное состояние (проявляющее или не проявляющее квантовый спиновый эффект Холла) называется топологический изолятор, который является примером топологический порядок с защитой от симметрии защищен симметрией сохранения заряда и симметрией обращения времени. (Обратите внимание, что квантовое спиновое состояние Холла также является топологический с защитой от симметрии состояние, защищенное симметрией сохранения заряда и спиновой симметрия сохранения. Нам не нужна симметрия относительно обращения времени для защиты квантового спинового холловского состояния. Топологический изолятор и квантовое спиновое холловское состояние - это разные топологические состояния, защищенные симметрией. Итак, топологический изолятор и квантовое спиновое холловское состояние - это разные состояния материи.)

В квантовых ямах HgTe

Поскольку графен имеет чрезвычайно слабую спин-орбитальную связь, маловероятно, что он будет поддерживать квантовое спиновое холловское состояние при температурах, достижимых с помощью современных технологий. Очень реалистичное теоретическое предположение о существовании квантового спинового холловского состояния было выдвинуто в 1987 году Панкратовым, Пахомовым и Волковым в исследованиях теллурида кадмия / теллурида ртути / теллурида кадмия (CdTe / HgTe / CdTe) квантовых ям, в которых тонкие (5 -7 нанометров) лист HgTe зажат между двумя листами CdTe,[7] и впоследствии экспериментально реализовано [8]

Можно построить различные квантовые ямы различной толщины HgTe. Когда слой HgTe между CdTe является тонким, система ведет себя как обычный изолятор и не проводит, когда уровень Ферми находится в запрещенной зоне. Когда лист HgTe варьируется и становится толще (для этого требуется изготовление отдельных квантовых ям), происходит интересное явление. Из-за перевернутой зонной структуры HgTe при некоторой критической толщине HgTe происходит переход Лифшица, при котором система закрывает объемную запрещенную зону, превращаясь в полуметалл, а затем снова открывает ее, превращаясь в квантовый спиновый холловский изолятор.

В процессе закрытия и повторного открытия зазора два краевых состояния выводятся из объема и пересекают объемный зазор. Таким образом, когда уровень Ферми находится в объемном зазоре, в проводимости преобладают краевые каналы, пересекающие зазор. Двухконтактная проводимость в квантовом спиновом холловском состоянии и нуль в нормальном диэлектрическом состоянии. Поскольку в проводимости преобладают краевые каналы, значение проводимости не должно зависеть от ширины образца. Магнитное поле должно разрушить квантовое спиновое состояние Холла, нарушив инвариантность относительно обращения времени и допуская на границе процессы рассеяния электронов со спином вверх и вниз. Все эти предсказания подтверждены экспериментально. [8] исполняется в Моленкамп лаборатории в Universität Würzburg в Германии.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Kane, C.L .; Мел, Э.Дж. (25 ноября 2005 г.). «Квантовый спиновый эффект Холла в графене». Письма с физическими проверками. 95 (22): 226081. arXiv:cond-mat / 0411737. Bibcode:2005PhRvL..95v6801K. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.226801.
  2. ^ Холдейн, F.D.M. (31 октября 1988 г.). "Модель квантового эффекта Холла без уровней Ландау: реализация в конденсированной среде" аномалии четности "."". Письма с физическими проверками. 61 (18). Bibcode:1988PhRvL..61.2015H. Дои:10.1103 / PhysRevLett.61.2015.
  3. ^ Каплан, Дэвид Б. (1992). «Метод моделирования киральных фермионов на решетке». Письма по физике B. 288 (3–4): 342–347. arXiv:hep-lat / 9206013. Bibcode:1992ФЛБ..288..342К. CiteSeerX 10.1.1.286.587. Дои:10.1016 / 0370-2693 (92) 91112-м.
  4. ^ Golterman, Maarten F.L .; Янсен, Карл; Каплан, Дэвид Б. (1993). "Токи Черна-Саймонса и киральные фермионы на решетке". Письма по физике B. 301 (2–3): 219–223. arXiv:геп-лат / 9209003. Bibcode:1993ФЛБ..301..219Г. Дои:10.1016 / 0370-2693 (93) 90692-б.
  5. ^ Берневиг, Б. Андрей; Чжан, Шоу-Чэн (14 марта 2006 г.). «Квантовый спиновый эффект Холла». Письма с физическими проверками. 96 (10): 106802. arXiv:cond-mat / 0504147. Bibcode:2006PhRvL..96j6802B. Дои:10.1103 / PhysRevLett.96.106802.
  6. ^ Kane, C.L .; Мел, Э.Дж. (28 сентября 2005 г.). «Топологический порядок Z2 и квантовый спиновый эффект Холла». Письма с физическими проверками. 95 (14): 146802. arXiv:cond-mat / 0506581. Bibcode:2005ПхРвЛ..95н6802К. Дои:10.1103 / PhysRevLett.95.146802.
  7. ^ Панкратов, О.А .; Пахомов, С.В .; Волков, Б.А. (Январь 1987 г.). «Суперсимметрия в гетеропереходах: инвертирующий контакт контакт на основе Pb1-xSnxTe и Hg1-xCdxTe». Твердотельные коммуникации. 61 (2): 93–96. Bibcode:1987SSCom..61 ... 93P. Дои:10.1016/0038-1098(87)90934-3.
  8. ^ а б Кениг, Маркус; Видманн, Штеффен; Брюне, Кристоф; Рот, Андреас; Бухманн, Хартмут; Molenkamp, ​​Laurens W .; Ци, Сяо-Лян; Чжан, Шоу-Чэн (2 ноября 2007 г.). «Квантовое состояние спинового холловского изолятора в квантовых ямах HgTe». Наука. 318 (5851): 766–770. arXiv:0710.0582. Bibcode:2007Наука ... 318..766K. Дои:10.1126 / science.1148047. PMID 17885096.

дальнейшее чтение