Квантовая емкость трехмерного топологического изолятора на основе HgTe

Abstract

Экспериментально изучена квантовая емкость, напрямую характеризующая плотность состояний высокоподвижных дираковских двумерных состояний, образующихся на поверхности напряженной пленки HgTe. Показано, что наблюдаемые в магнитоемкости квантовые осцилляции, в отличие от осцилляций в магнитотранспорте, где вклад дают все существующие типы носителей, соответствуют электронам на верхней поверхности пленки. Таким образом, емкостная спектроскопия является селективным методом для исследования свойств отдельной топологической поверхности даже в условиях большого количества объемных носителей. Благодаря этой особенности впервые получены данные о фазовом сдвиге осцилляций Шубникова–де Гааза, часто ассоциируемом с фазой Берри, для отдельного дираковского конуса, а также получена зависимость величины сдвига от положения уровня Ферми.

Експериментально вивчено квантову ємність, яка безпосередньо характеризує щільність станів високорухливих діраківських двовимірних станів, що утворюються на поверхні напруженої плівки HgTe. Показано, що квантові осциляції магнітоємності, які спостерігаються, на відміну від осциляцій в магнітотранспорті, де внесок дають всі існуючі типи носіїв, відповідають електронам на верхній поверхні плівки. Таким чином, ємнісна спектроскопія є селективним методом для дослідження властивостей окремої топологічної поверхні навіть в умовах великої кількості об'ємних носіїв. Завдяки цій особливості вперше отримано дані про фазовий зсув осциляцій Шубнікова–де Гааза, який часто асоціюється з фазою Беррі, для окремого діраківського конуса, а також отримано залежність цієї величини від положення рівня Фермі.

The quantum capacitance that directly characterizes the density of states of highly mobile Dirac two-dimensional states formed on the surface of a stressed HgTe film is studied experimentally. It is shown that, as opposed to the oscillations in the magnetotransport to which all the existing types of carriers contribute, the quantum oscillations observed in the magnetic capacitance correspond to electrons on the upper surface of the film. Thus, capacitance spectroscopy is a selective technique for studying the properties of an individual topological surface, even when a large number of bulk carriers are present. Because of this feature, for the first time we have obtained data on the phase shift in the Shubnikov-de Haas oscillations usually associated with the Berry phase for an isolated Dirac cone and found its dependence on the location of the Fermi level.