Двумерный полуметалл в квантовых ямах на основе HgTe

Abstract

Дан обзор первых результатов по исследованию новой двумерной электронной системы — двумерного полуметалла (ДП), обнаруженного в широких квантовых ямах на основе теллурида ртути, обладающих инвертированным зонным спектром. Приводятся результаты магнитотранспортных экспериментов, позволяющих сделать однозначный вывод о существовании полуметаллического состояния в квантовых ямах с ориентацией (013) и (112) и толщиной 18–21 нм. На основе указанных экспериментов найдена величина перекрытия зон Δ = (3–5) мэВ. Из сравнения экспериментально найденной Δ с результатами теоретического расчета энергетического спектра сделан вывод о принципиальной роли деформационных эффектов в формировании полуметаллического состояния. Исследованы особенности процессов рассеяния в двумерном полуметалле и обнаружены: скачок электронной подвижности при переходе электронный металл–ДП, возникающий в результате экранировки дырками примесного рассеяния электронов, аномальный и значительный рост сопротивления двумерного полуметалла при повышении температуры, обусловленный электронно-дырочным рассеянием, что является первым наблюдением прямого влияния межчастичного рассеяния по механизму Ландау на сопротивление металлов. Обсуждаются свойства ДП в режиме квантового эффекта Холла (КЭХ). Основное внимание уделено обнаруженному эффекту подавления сильной локализации в условиях КЭХ. Показано, что в сильном магнитном поле двухкомпонентная электронно-дырочная плазма обладает принципиально иными топологическими свойствами, в отличие от обычной однокомпонентной (электронной или дырочной) плазмы. Предположено, что именно они приводят к возникновению бесконечного множества делокализованных проводящих токовых состояний и подавлению локализации.

Дано огляд перших результатів по дослідженню нової двовимірної електронної системи — двовимірного напівметалу (ДН), який виявлено в широких квантових ямах на основі телуриду ртуті, що мають інвертований зонний спектр. Наведено результати магнітотранспортних експериментів, що дозволяють зробити однозначний висновок про існування напівметалевого стану у квантових ямах з орієнтацією (013) та (112) і товщиною 18–21 нм. На основі зазначених експериментів знайдено величину перекриття зон Δ = (3–5) меВ. З порівняння експериментально знайденої Δ з результатами теоретичного розрахунку енергетичного спектра зроблено висновок про принципову роль деформаційних ефектів у формуванні напівметалевого стану. Досліджено особливості процесів розсіювання у двовимірному напівметалі та виявлено: стрибок електронної рухливості при переході електронний метал–ДН, що виникає в результаті екранування дірками домішкового розсіювання електронів, аномальний і значний ріст опору двовимірного напівметалу при підвищенні температури, який обумовлено електронно-дірковим розсіюванням, що є першим спостереженням прямого впливу міжчастинкового розсіювання по механізму Ландау на опір металів. Обговорюються властивості ДН у режимі квантового ефекту Холу (КЕХ). Основну увагу приділено виявленому ефекту заглушення сильної локалізації в умовах КЕХ. Показано, що в сильному магнітному полі двокомпонентна електронно-діркова плазма має принципово інші топологічні властивості на відміну від звичайної однокомпонентної (електронної або діркової) плазми. Припущено, що саме вони призводять до виникнення нескінченної безлічі делокалізованних провідних струмових станів і заглушенню локалізації.

The properties of tow-dimensional semimetal (2DS) in HgTe based quantum wells are described and analyzed. They include: 1) energy spectrum of 2DS and its origin, 2) scattering processes in 2DS, 3) the behaviour of 2DS in a regime of quantum Hall effect particularly in the vicinity of charge neutrality point. On the basis of magnetotransport experiments the value of the overlap was determined. It proves to be equal Δ = (3–5) meV. It is shown that this overlap is due to tensile strain caused by lattice mismatch of HgTe and CdTe. It is shown that impurity scattering prevails in this system at low temperatures. Interparticle scattering (in this case, between electrons and holes) has been observed to directly affect the resistance of the metal. At the charge neutrality point with nearly equal electron and hole densities, the resistance is found to increase very strongly with B while the Hall resistivity turns to zero. This behavior results in a wide plateau in the Hall conductivity and in a minimum of diagonal conductivity. We suggest that the transport at the charge neutrality point is determined by electron–hole snake-like states propagating along the filling factor ν = 0 lines.