Дираковские токи, индуцированные электромагнитной волной, в топологической поверхностной зоне с субпериодным разрешением

Институт физики полупроводников СО РАН

J. Reimann1, S. Schlauderer2, C. P. Schmid2, F. Langer2, S. Baierl2, K. A. Kokh3, O.E. Tereshchenko4, A. Kimura5, C. Lange2, J. Güdde1, U. Höfer1, R. Huber2

1 Fachbereich Physik, Philipps-Universität, 35032 Marburg, Germany

2Department of Physics, University of Regensburg, 93040 Regensburg, Germany

3 V.S. Sobolev Institute of Geology and Mineralogy SB RAS, 636090, Novosibirsk, Russian Federation

4A.V. Rzhanov Institute of Semiconductor Physics SB RAS, 636090, Novosibirsk, Russian Federation
5 Graduate School of Science, Hiroshima University, 739-8526 Hiroshima, Japan

Впервые проведено исследование процесса фотоэмиссии с угловым и субпериодным временным разрешением. Это позволило наблюдать процесс ускорения фермионов Дирака, вызванный терагерцовой (ТГц) электромагнитной волной, в квазирелятивистской дисперсионной зоне топологического поверхностного состояния Bi2Te3. Ускорение носителей в состояниях Дирака в электрическом поле ТГц волны приводит к сильному перераспределению электронов в импульсном пространстве и значительной плотности тока (рис.1). По сравнению с массивными квазичастицами, квазирелятивистские носители в топологических состояниях могут быть ускорены практически без инерции. Благодаря высокой Ферми скорости, малому рассеянию и линейной зонной структуре, ускоренные электромагнитной волной фермионы Дирака могут баллистически распространяются в бездисперсионных волновых пакетах на расстояния до нескольких 100 нм. Эта рекордная дистанция значительно превышает ширину затвора современных транзисторов, делая перспективным создание устройств на трехмерных топологических изоляторах (ТИ) с использованием полностью когерентного переноса электронов с частотой электромагнитной волны. Благодаря жесткой связи в ТИ состояниях спина и импульса электрона, баллистические электроны Дирака переносят спиновый ток, что также может позволить развивать спинтронику до оптических частот.

Рис. 1. (а) Электроны в топологическом поверхностном состоянии Bi2Te3 ускоряются линейно поляризованным электрическим ETHz полем THz волны (форма волны показана красным и синим цветом) и фотоэмитируются с задержкой по времени ультракоротким ультрафиолетовым импульсом (UV). b, c, d: Фотоэмиссионные дисперсионные картины до прибытия THz волны (b), сразу после положительного гребня волны (c) и сразу после отрицательного максимума поля (d). Электроны ускоряются, приобретая энергию выше уровня Ферми (белая штриховая линия) и распределение сдвигается вдоль V-образной дисперсии топологической поверхностной зоны. e Временная эволюция плотности тока, извлеченной из дисперсионных картин фотоэмиссии.

Публикации:

  1. Phys. Rev. B 95, 081103 (2017), IF= 3.736
  2. Nature 562, 396 (2018), IF= 45.819
  3. New J. Phys. 21, 093006 (2019), IF= 3.539