Warszawa, 18 stycznia 2017

Gigantyczne rozszczepienie Rashby w warstwach (111) krystalicznego izolatora topologicznego Pb_1-xSn_xTe, kontrolowane domieszkowaniem Bi w objętości

Jednym z najważniejszych odkryć w fizyce materii skondensowanej ostatnich lat było odkrycie izolatorów topologicznych. W tych nowych kwantowych materiałach symetria odwrócenia czasu i silne oddziaływanie spin-orbita prowadzą do tego, ze kryształy, które wewnątrz swojej objętości są izolatorami, na powierzchni przewodzą prąd jak metale. Materiały te, wykazują szereg unikalnych właściwości dotyczących transportu elektronowego. Do najważniejszych z nich zaliczyć trzeba fakt, że metaliczne stany powierzchniowe są topologicznie chronione tzn. odporne na wszelkie niemagnetyczne zaburzenia [1]. Ta własność sprawia, że izolatory topologiczne są bardzo poważnie rozważane jako materiały dla zastosowań spintronicznych. Innym ważnym efektem intensywnie badanym w kontekście spintroniki, której celem jest wykorzystanie do przekazu informacji spinowych stopni swobody elektronów, jest efekt Rashby. Efekt ten pojawia się w układach ze złamaną symetrią inwersji [2,3], także jako konsekwencja oddziaływania spin-orbita. Ogromne znaczenie mają zatem poszukiwania materiału zawierającego zarówno stany chronione topologiczne jak i wykazującego duże spinowe rozszczepienie pasm Rashby.

Od roku 2012 naukowcy z Instytutu Fizyki PAN prowadzą intensywne badania nowej klasy materiałów topologicznych, tzw. topologicznych izolatorów krystalicznych, w których topologiczną ochronę metalicznych stanów powierzchniowych gwarantują specyficzne symetrie kubicznego kryształu. Takimi materiałami okazały się kryształy mieszane półprzewodników IV-VI , takie jak (Pb,Sn)Te i odkryty w Instytucie Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie (Pb,Sn)Se [4]. Ostatnio, grupa teoretyczna pod kierunkiem prof. Ryszarda Buczko we współpracy z grupą prof. Gunthera Springholza z Uniwersytetu Johannesa Keplera w Linzu pokazała, że domieszkowanie przy pomocy Bi i Sb warstw (Pb,Sn)Te zorientowanych wzdłuż kierunku (111) wywołuje silne rozszczepienie Rashby. Wielkość rozszczepienia jest porównywalna z rekordowymi wartościami raportowanymi w literaturze. Nasze obliczenia teoretyczne, bazujące na modelu ciasnego wiązania, pokazały, że efekt Rashby jest związany z istnieniem naładowanych pułapek powierzchniowych, o koncentracji kontrolowanej przez poziom Fermiego w objętości. Tak więc, wielkość efektu może być skutecznie kontrolowana przez domieszkowanie kryształu. Domieszkowanie umożliwia również kompensację typowego dla tego materiału przewodnictwa typu p. Pozwala też uzyskać wysokie ruchliwości nośników na powierzchni, umożliwiające badania efektów optycznych i kwantowego transportu. Nie dość, że mierzona w eksperymencie wielkość rozszczepienia spinowego wydaje się być wystarczająca do pracy urządzeń spintronicznych w temperaturze pokojowej, to obserwowana tendencja oznacza, że rozszczepienie to może być jeszcze znacząco wzmocnione przez zwiększenie poziomu domieszkowania. Artykuł zawierający te wyniki ukazał się 18.01.2017, w najnowszym numerze prestiżowego czasopisma Advanced Materials [5]. Opublikowane odkrycia otwierają nowe możliwości obserwacji zjawisk elektrycznych i optycznych związanych z efektem Rashby w układach topologicznych.

PRACE NAUKOWE:

[1] "Quantum Spin Hall Effect ,
      B. Andrei Bernevig and S. C. Zhang,
      Phys. Rev. Lett. 96, 106802 (2006).

[2] "Properties of semiconductors with an extremum loop .1. Cyclotron and combinational resonance in a magnetic field perpendicular to the plane of the loop ,
      E. I. Rashba,
      Sov. Phys. Solid State 2, 1109 (1960).

[3] "Properties of a 2D electron gas with lifted spectral degeneracy ,
      Y. A. Bychkov and E. I. Rashba,
      JETP Lett. 39, 78 (1984).

[4] "Topological crystalline insulator states in Pb_1-xSn_xSe ,
      P. Dziawa, B.J. Kowalski, K. Dybko, R. Buczko, A. Szczerbakow, M. Szot, E. Łusakowska, T. Balasubramanian, B.M. Wojek, M.H. Berntsen, O. Tjernberg, T. Story,
      Nature Materials 11, 1023 (2012).

[5] "Giant Rashba Splitting in Pb_1-xSn_xTe (111) Topological Crystalline Insulator Films Controlled by Bi Doping in the Bulk ,
      V. V. Volobuev, P. S. Mandal, M. Galicka, O. Caha, J. Sánchez-Barriga, D. Di Sante, A. Varykhalov, A. Khiar, S. Picozzi, G. Bauer, P. Kacman, R. Buczko, O. Rader       and G. Springholz,
      Adv. Mater. 29, 1604185 (2017).

KONTAKTY DO NAUKOWCÓW:

       prof. dr hab. Ryszard Buczko

       Instytut Fizyki Polskiej Akademii Nauk w Warszawie

       tel. tel. +48 22 116 33 24

       email: buczko@ifpan.edu.pl

MATERIAŁY GRAFICZNE:

IFPAN170118_fot01.jpg