| Название: | Электронные состояния и кинетические эффекты в системах с нетривиальной топологией |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-202 - Полупроводники |
| Ключевые слова: | Топологические изоляторы, магнитные текстуры, тонкая структура дираковских состояний, спиновые явления, оптические и фотогальванические эффекты |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Тарасенко,СА |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-12-01265 |
Проект направлен на теоретическое исследование электронных свойств топологически нетривиальных твердотельных систем, разработку методов описания таких систем, изучение их оптических, электрических и фотоэлектрических свойств, поиск и исследование новых эффектов, связанных с нетривиальной топологией. Объектами исследования будут двумерные и трехмерные топологические изоляторы, главным образом на основе халькогенидов, магнитные топологические изоляторы и магнитные системы с нетривиальной пространственной топологией намагниченности. Физика структур с нетривиальной топологией электронных состояний переживает в настоящий момент период становления и бурного развития. Повышенное внимание связано как с фундаментальным интересом к топологии твердых тел, так и с огромным потенциалом их использования для создания нового класса приборов и устройств электроники и оптоэлектроники. Успехи в технологии и экспериментальных методиках привели к синтезу и исследованию двумерных и трехмерных топологических изоляторов высокого качества, наблюдению поверхностных и краевых топологических состояний, открытию новых интересных электродинамических эффектов, таких как квантовый спиновый эффект Холла, квантовый аномальный эффект Холла, топологический магнитоэлектрический эффект. Вместе с тем, многие экспериментальные результаты по нелокальному электромагнитному отклику топологических изоляторов, транспорту носителей заряда по краевым каналам, шумовой спектроскопии, поведению топологических изоляторов в магнитном поле, фотогальваническим эффектам, нелинейным оптическим эффектам оказались неожиданными и не имеют в настоящее время удовлетворительного объяснения. Это стимулирует разработку новых подходов для описания электронных состояний в топологически нетривиальных системах, теоретическое исследование их электрических, магнитных, оптических и фотоэлектрических свойств. В ходе выполнения проекта предполагается вести исследования по следующим направлениям:
- Электронная структура и энергетический спектр дираковских состояний в топологических изоляторах на основе гетероструктур HgTe/CdHgTe,
- Взаимодействие электромагнитного поля с краевыми и поверхностными электронными возбуждениями в топологических изоляторах. Механизмы электрон-фотонного взаимодействия и правила отбора для оптических переходов в реальных кристаллических структурах без центра пространственной инверсии.
- Фотогальванические эффекты и нелинейный транспорт краевых и поверхностных носителей заряда в двумерных и трехмерных топологических изоляторах.
- Электрооптические эффекты в трехмерных топологических изоляторах на основе халькогенидов.
- Нелинейная оптика топологических изоляторов. Эффект генерации второй гармоники на поверхностных и краевых состояниях.
- Сверхтонкое взаимодействие носителей заряда и ядер атомов, образующих кристаллическую решетку. Влияние сверхтонкого взаимодействия на электронные свойства топологических изоляторов.
- Спиновый и зарядовый транспорт в системах с топологически нетривиальными текстурами намагниченности.
Ожидаемые результаты
- Разработка теории тонкой структуры краевых и «объемных» дираковских состояний в квантовых ямах HgTe/CdHgTe, выращенных вдоль низкосимметричных кристаллографических направлений; определение параметров тонкой структуры.
- Определение механизмов генерации краевых фототоков в двумерных топологических изоляторах на основе квантовых ям без центра пространственной инверсии. Расчет величин и спектральных зависимостей краевых фототоков, индуцированных линейно поляризованным и циркулярно поляризованным излучением.
- Развитие теории электрооптических эффектов для поверхностных состояний объемных топологических изоляторов: эффекта Керра, индуцированного спиновой поляризацией электронов, наведенной электрическим током, и эффекта Поккельса, обусловленного внешним электрическим полем.
- Разработка теории генерации второй гармоники на поверхностных состояниях в трехмерных топологических изоляторах и краевых состояниях в двумерных топологических изоляторах. Расчет спектра возбуждения второй оптической гармоники при нормальном падении света на поверхность кристалла или квантовой ямы.
- Развитие теории топологического эффекта Холла в магнитных структурах с нетривиальной топологией намагниченности.
- Выявление влияния сверхтонкого электрон-ядерного взаимодействия на электронные свойства топологических изоляторов.
Полученные результаты будут новыми, соответствовать мировому уровню исследований и внесут существенный вклад в развитие физики топологических изоляторов.
Выполненные исследования позволят получить информацию о параметрах тонкой структуры электронных состояний в топологических изоляторах, электродинамике топологических изоляторов, механизмах формирования фототоков и нелинейного оптического отклика, механизмах аномального эффекта Холла, разработать методы управления электрическими и оптическими свойствами топологически нетривиальных систем.
