Фаза Бери и геометрические резонансы поверхностных Дираковских фермионов в трехмерном топологическом изоляторе

Институт физики полупроводников СО РАН

Д.А. Козлов, З.Д. Квон, Н.Н. Михайлов, С.А. Дворецкий

Один из самых важных фундаментальных результатов ИФП СО РАН 2013-2019 гг — это экспериментальная демонстрация наиболее важного свойства топологических изоляторов, — жесткой топологически устойчивой связи спина и импульса поверхностных Дираковских фермионов, — в транспортном отклике системы. Этого удалось достичь благодаря разработке технологии получения трехмерного топологического изолятора на основе напряженной пленки HgTe, имеющего рекордно высокую подвижность Дираковских фермионов, достигающей 5 10⁵см²/Вс, что более чем на порядок превышает значения, полученные в других лабораториях мира. Отмеченное достижение впервые позволило однозначно и надежно установить наличие топологической фазы Бери в осцилляциях Шубникова-де Гааза указанных фермионов. С другой, квазиклассической стороны, топологическое состояние поверхностных Дираковских фермионов было выявлено по геометрическим резонансам их магнитосопротивления в решетке антиточек, которые возникают в магнитных полях, соответствующих условию соизмеримости циклотронного радиуса фермионов и периода решетки.

Рис. 1. a — электронная фотография сверхрешетки антиточек в напряженной пленке теллурида ртути; b — соизмеримые пики магнетосопротивления и траектории движения электронов; c — обнаружение фазового сдвига d осцилляций Шубникова-де Гааза, ассоциируемого с фазой Берри поверхностных дираковских фермионов.

Публикации:

1. D. A. Kozlov, Z. D. Kvon, E. B. Olshanetsky,  N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretsky,  and D. Weiss  «Transport Properties of a 3D Topological Insulator based on a Strained High-Mobility HgTe Film», Phys.Rev.Lett., 112, 196801 (2014).
2. D. A. Kozlov, D. Bauer, J. Ziegler, R. Fischer, M. L. Savchenko, Z. D. Kvon, N. N. Mikhailov, S. A. Dvoretsky, and D. Weiss «Probing quantum capacitance in a 3D topological insulator», Phys.Rev.Lett , 116, 166802 (2016).
3. H.Maier, J.Ziegler, R.Fischer, D.A.Kozlov, Z.D.Kvon, N.N.Mikhailov, S.A. Dvoretsky, D.Weiss. «Ballistic geometric resistance resonances in a single surface of a topological insulator». Nature Communications, 8, 2023 (2017).