¿HgTe sería un aislante topológico?

Bueno, la respuesta es si o no. La inversión de banda entre el$s$-como banda (de conducción)$\Gamma_6$y$p$-como banda (valencia)$\Gamma_8$en HgTe es el principal responsable de su estructura de banda topológicamente no trivial. La estructura de banda a granel de HgTe con (derecha) y sin (izquierda) acoplamiento espín-órbita se muestra en la siguiente figura. Hay un total de ocho bandas (incluido el giro) que se muestran en ambas figuras. Como estamos interesados ​​en la física cercana a la$\Gamma$punto, podemos ignorar aproximadamente la asimetría de inversión masiva. Bajo esta suposición, las bandas de giro hacia arriba y hacia abajo están degeneradas, como se ve claramente en la figura. A partir de este punto, no consideraré explícitamente el giro cuando hable sobre la estructura de la banda masiva ; es decir, hay un total de cuatro bandas (ignorando el giro) en las figuras siguientes. Nota: No se centre en los detalles cuantitativos de la figura de la izquierda. Es un escenario hipotético introducido puramente con fines pedagógicos.

Puede notar que, en la figura de la izquierda (sin acoplamiento espín-órbita), las bandas de agujeros pesados ​​(HH) y agujeros ligeros (LH) están degeneradas. Cuando enciendes la órbita giratoria, el$\Gamma_6$y$\Gamma_8$bandas invierten su orden, el$\Gamma_8$la banda divide su degeneración y la banda izquierda se invierte. La energía de Fermi se encuentra en el punto de intersección de las bandas LH y HH. Pero observe que, a pesar de que LH y HH actúan como bandas de conducción y valencia (figura de la derecha) respectivamente, ¡ no hay espacio entre ellas! No puede obtener un aislador topológico sin un espacio de volumen . Si de alguna manera pudiera inducir una brecha entre las bandas LH y HH (digamos) filtrando HgTe, ¡entonces podría, de hecho, convertirse en un aislante topológico 3D!

Ahora, hubo varias ventajas (experimentales) en la creación de un pozo cuántico CdTe/HgTe/CdTe. En primer lugar, dado que es un pozo cuántico, tendría subbandas (no bandas a diferencia de los materiales a granel) debido al confinamiento cuántico fuera del plano (digamos$z$) dirección. Como resultado, una sola banda en conjunto se dividirá en varias subbandas, cada una de las cuales corresponde a una banda cuantificada diferente.$k_z$, a medida que reduce el espesor del material en el$z$-dirección. Ahora, puede notar (en la figura a continuación), a diferencia de la mayor parte, las subbandas de electrones (conducción) y huecos (valencia) tienen una brecha de energía.

Esta gráfica obviamente muestra los mínimos (electrones) o máximos (huecos) de estas sub-bandas; todavía se dispersan en el espacio k. Y como sabrá, la inversión de las subbandas ocurrirá cuando cruce el grosor crítico (como se muestra en la figura a continuación).

Otra ventaja muy importante de usar una estructura de pozo cuántico al hacer sus experimentos es que, a diferencia de una muestra a granel, puede sintonizar eléctricamente su energía de Fermi usando una puerta. Puede ajustar su energía de Fermi para intersectar la subbanda de electrones (o huecos) o mantenerla en el espacio y observar el cambio en la conductancia. Cuando estás en el régimen de Hall de espín cuántico, nunca dejarás de conducir a medida que tu energía de Fermi pasa de la subbanda de electrones (o huecos) a la brecha; esto se debe a la protección topológica(debido a la simetría de inversión de tiempo) los estados de borde dentro de la brecha a granel (aquí a granel significa que no está en el borde del pozo). En una muestra a granel (a granel significa que no está confinada cuánticamente) probablemente habría realizado algún tipo de dopaje controlado (suponiendo que la brecha ya se haya inducido de alguna manera) para controlar su energía de Fermi. En ese caso, probablemente tendría que fabricar diferentes muestras para diferentes valores de energía de Fermi; eso es ciertamente muy inconveniente.

En resumen, debe inducir de alguna manera una brecha en HgTe, ya sea por confinamiento cuántico o tensión inducida para convertirlo en un aislante topológico 2D o 3D . CdTe no es responsable de la física clave, es decir, la inversión de banda, que da lugar a una estructura de banda topológicamente no trivial en HgTe. Es interesante notar que el pozo cuántico de HgTe no fue la primera propuesta de Bernevig, Hughes y Zhang. ¡La dificultad experimental de trabajar con HgTe tenso los llevó a revisar su propuesta y predecir un aislante topológico en el pozo cuántico! Esto fue en 2006; la gente ahora ha logrado crear experimentalmente aisladores topológicos 3D a partir de HgTe tenso.

Para el vacío/HgTe, tendría 2D TI en algún lugar de la superficie de HgTe, lo que no es muy conveniente para el estudio de este estado. Además, los defectos superficiales harán que el resultado sea difícilmente utilizable incluso para experimentos, ni siquiera piense en aplicaciones. En CdTe/HgTe/CdTe QW tienes un buen control sobre las propiedades del sistema, tiene una red perfecta, etc.

En realidad, la razón principal es que HgTe es un semiconductor de brecha cero. Por supuesto, el grafeno también es un semiconductor de brecha cero, pero está hecho de elementos de carbono, un elemento ligero con una débil interacción espín-órbita. En este punto, es mejor mirar otros materiales con fuertes interacciones espín-órbita, hechos de elementos pesados.