| Название: | Магнетотранспорт в новых топологических дираковских материалах |
| Грантодатель: | Гранты РНФ |
| Область знаний: | 02 - Физика и науки о космосе |
| Научная дисциплина: | 02-204 - Нано- и микроструктуры |
| Ключевые слова: | дираковские материалы, графен, топологические изоляторы, магнетосопротивление |
| Тип: | исследовательский |
| Руководитель(и): | Васильева,ГЮ |
| Подразделения: | |
| Код проекта: | 17-72-10134 |
Аннотация
Проект посвящен комплексному изучению магнетотранспортных эффектов в новых топологических дираковских материалах на основе графена и полупроводниковых гетероструктур. Последние достижения в области электроники в значительной степени связаны с контролируемым изготовлением низкоразмерных наноструктур. Дальнейший технологический успех ожидается за счет создания новых материалов, таких как магнитные полупроводники, наноструктуры на основе углерода и материалов с сильным спин-орбитальным взаимодействием.
Недавние открытия фермионов Дирака в графене и на поверхности топологических изоляторов вызвали огромный интерес к физике дираковских материалов. В настоящее время исследование дираковских фермионов стало главным научным направлением физики твердого тела. Дираковские фермионы проявляются в большом количестве разнообразных веществ начиная от графена и топологических изоляторов и заканчивая топологическими металлами и топологическим сверхпроводниками. Во всех этих системах движение частиц описывается уравнением Дирака. Эта область физики, бывшая еще недавно исключительно прерогативой чисто теоретических моделей, находит воплощение во все большем количестве реальных материалов. Таким образом, появилась возможность экспериментального изучения «релятивистских» частиц в достаточно
простых опытах и детального сравнения теоретических моделей и экспериментальных данных. С точки зрения приложений, технологический успех в производстве плоских однослойных двумерных систем открывает широкие возможности для создания двумерных наноструктур беспрецедентно малой толщины, что находится в русле общей тенденции к миниатюризации
электронных приборов. Возникла новая область материаловедения, которая решает задачу получения топологических материалов с неизвестными ранее свойствами, и использования их для изготовления приборов.
Нами будут изучаться новые эффекты, что обуславливает новизну запланированных исследований. Будут проводиться магнетотранспортные измерения, которые позволяют получить большой объем данных об изучаемом объекте. Сравнение экспериментальных данных с теоретическим расчетом позволит получить численные оценки параметров материала.
Наряду с изучением графена, эксперименты также будут проводиться на новых структурах, на основе многослойных структур HgTe/CdHgTe, которые не изучались до настоящего времени.
В ходе выполнения проекта будут проводиться исследования по следующим основным направлениям:
1) исследование линейного магнетосопротивления вблизи точки электронейтральности в графене и дираковских материалах,
2) исследование магнетосопротивления и квантового эффекта Холла, в том числе и аномальный эффект Холла в образцах с сильным спин-орбитальным взаимодействием на основе многослойных структур HgTe/CdHgTe, параметры которого зависят от типа топологической фазы,
3) изучение особенностей сопротивления образцов, характерных для короткодействующего беспорядка в двух- и трехмерных дираковских материалах,
4) изучение магнетотранспорта в двухслойном графене, когда энергия Ферми находится вблизи изгиба энергетической зоны,
5) изучение воздействия краевого легирования на магнетосопротивление графена.
Результаты исследований по каждому из перечисленных направлений будут представлены по крайней мере в одной научной публикации в ведущих российских и иностранных научных журналах. Гарантией успешного выполнения проекта является имеющийся научный задел и многолетний опыт таких исследований у руководителя проекта. Руководитель проекта проводит магнетотранспортные исследования в однослойном и двухслойном графене, а также гетероструктур на основе HgTe/CdHgTe более 5 лет. В работах автора проекта получен ряд важных результатов мирового уровня в рамках данной тематики. Обнаружен новый эффект при измерении магнетосопротивления монослойного графена с короткодействующим беспорядком. Оказалось, что сопротивление, при небольшом затворном напряжении имеет корневую зависимость от магнитного поля. Показано, что эффект наиболее сильно проявляется вблизи дираковской точки. Сделаны качественные предсказания по поводу поведения магнетосопротивления и коэффициента Холла в широком интервале магнитных полей. Существенно, что как корневое магнетосопротивление (обусловленное экранировкой заряженных примесей), так и параболическое магнетосопротивление сильно зависят от температуры. Экспериментально показано, что двухкомпонентные системы с равными концентрациями электронов и дырок демонстрируют не насыщающееся линейное магнетосопротивление в классически сильных магнитных полях. Явление возникает из-за избыточной концентрации носителей заряда вблизи краев образца в условиях компенсированного эффекта Холла. Размер такой граничной области примерно совпадает с длиной электронно-дырочной рекомбинации, которая обратно пропорциональна магнитному полю. Эффект должен наблюдаться в образцах конечных размеров, находящихся вблизи точки нейтральности. Полученные результаты актуальны для полуметаллов, графена и узкозонных полупроводников, включая большинство топологических изоляторов. Проведены предварительные измерения магнетосопротивления и квантовых поправок к проводимости в квантовых ямах на основе многослойных структур HgTe/CdHgTe.
Ожидаемые результаты
Основной методикой измерений будет измерение сопротивления исследуемых образцов в широком диапазоне магнитных полей и температур. Планируется исследовать магнетосопротивление в классических и квантовых магнитных полях, применяя различные (параллельную и перпендикулярную) конфигурации магнитных полей. Исследуемые образцы будут структурированы в форме холловских мостиков, дисков Корбино и меандров.
Графен будет основным объектом исследования. Мы будем использовать хорошо разработанный метод отшелушивания для изготовления образцов с различным числом слоев графена. Наряду с графеном планируется проведение исследований топологических материалов на основе HgTe/CdHgTe.
Не смотря на большое количество работ в этой области, многие свойства новых дираковских материалов остаются не понятыми и требуют дальнейшего изучения. В рамках проекта будут проводиться эксперименты, которые позволят получить данные о физических свойствах изучаемого объекта. Сравнение экспериментальных данных с теоретическим расчетом дадут численные оценки параметров материала. Будут широко использоваться теоретические предложения по конструированию новых топологических материалов и по постановке экспериментов. Исследования, запланированные в рамках данного проекта, как ожидается, приведут к обнаружению новых особенностей магнетосопротивления графена и топологических изоляторов, и могут быть полезными для разработки новых приборов на их основе.
В ходе выполнения проекта планируется получить следующие научные результаты :
1) Будет изучено влияния краевого легирования на магнетосопротивление графена. Будет измерено изменение сопротивления с изменением напряжения на затворе для образцов различной ширины и при различных температурах. Подвижности носителей, минимальная проводимость (в точке электронейтральности) и степень легирования (пропорциональная напряжению в точке электронейтральности) будут изучены в зависимости от ширины листов графена. Из подгонки данных мы определим а) подвижность носителей в объеме в отсутствие рассеяния на краях (когда ширина стремится к бесконечности), б) тип легирования на краях и в объеме, и в) степень легирования на краях и в объеме. Измерения будут проведены при легировании различными примесями тяжелых атомов (Sn, In, Pb, Te). Эти исследования, как ожидается, покажут возможный способ увеличения запрещенной зоны в графене. По существу, хотя графен и является топологическим изолятором, однако из-за ничтожно слабого спин-орбитального взаимодействия (СОВ), менее 10 мкэВ, это никак не проявляется в экспериментах. Предполагается, что СОВ может быть увеличено за счет присоединения ионов тяжелых атомов, таких как, например, теллур Te. Отметим, что на краях пленок графена образуются оборванные связи, на которые легко захватываются примеси, и которые могут быть использованы в качестве легирующих центров для этих целей. Такие исследования не проводились до настоящего времени.
2) Будут изучены структуры на основе широких квантовых ям HgTe/CdHgTe, которые являются полуметаллами. Существует несколько разновидностей полуметаллов с разными типами дисперсии энергии. Нормальные - с параболической дисперсией, полуметаллы Дирака – с линейной дисперсией и нечетным числом долин, полуметаллы Вейля с четным числом долин. В статье [Burkov, A. A. Balents, L., Phys. Rev. Lett. 107, 127205 (2011)] была предложена простая реализация трехмерной (3D) полуметаллической фазы Вейля с использованием многослойной структуры, состоящей из одинаковых тонких пленок 3D топологического изолятора, легированного магнитными примесями, и разделенных слоями обычного изолятора. Было показано, что фазовая диаграмма этой системы содержит топологическую фазу полуметалла Вейля простейшего типа, т. е. имеются только два узла Дирака противоположной хиральности, разделенных в пространстве импульсов. Для получения топологически стабильной фазы с 3D узлами Дирака, узлы должны быть разделены в импульсном пространстве. Это условие может быть выполнено путем разрушения симметрий либо обращения времени, или инверсии. Предложенный в цитированной статье метод с использованием магнитной примеси является нежелательным, поскольку введение дополнительной примеси в слои неизбежно должно сопровождаться усилением рассеяния, что может негативно повлиять на свойства таких гетероструктур. Мы применим другой способ изменения топологической фазы в материалах на основе систем HgTe/CdTe без дополнительного легирования примесями. В структурах HgTe имеется сильное спиновое расщепление за счет спин-орбитального взаимодействия, которое можно контролировать с помощью асимметрии барьеров (эффект Рашбы –Бычкова). Поэтому в многослойной гетероструктуре, состоящей из стопки тонких слоев HgTe, разделенных изолятором CdTe, может возникнуть топологическая фаза даже в отсутствии магнитных примесей. Будут изготовлены такие структуры и подробное исследованы их характеристики, которые ранее не изучались. Будут получены экспериментальные результаты измерения аномального эффекта Холла, а также квантовых поправок к проводимости. Будет выявлена корреляция между параметрами структуры и аномальным коэффициентом Холла. Измерения квантового эффекта Холла и осцилляций Шубникова-де Гааза широко используются для изучения орбит циклотронного резонанса в низкоразмерных структурах. Топологические материалы в присутствии сильного спин-орбитального взаимодействия должны демонстрировать аномальный эффект Холла. Это связано с тем, что в дополнение к внешнему магнитному полю в таких образцах есть внутреннее магнитное поле пропорциональное намагниченности. Постоянная Холла различается для внешних и внутренних магнитных полей. Постоянная Холла в этом случае будет определяться расстоянием между узлами Дирака. Ожидается, что параметры аномального эффекта Холла должны зависеть от типа топологической фазы, которую можно изменять, меняя ширину и состав слоев [G. Hal´asz and L. Balents, Phys. Rev. B. 85, 035103 (2012)]. При изменении степени симметрии в образце, будет меняться расстояние между узлами Дирака, что должно проявляться при измерениях аномального эффекта Холла.
3) Будет проведены измерения магнетосопротивления в двухслойном графене при различных температурах и напряжениях на затворе. Мы сосредоточимся на ситуации, когда уровень Ферми располагается вблизи дна зоны проводимости, которая характеризуется необычной дисперсией в виде "мексиканской шляпы". Будет изучено магнетосопротивление вдали от точки электронейтральности в поисках эффектов, которые могут быть отнесены к проявлениям структуры "мексиканской шляпы". Мы определим условия, при которых такая структура оказывает влияние на магнетосопротивление. Параметры образцов, таких как время релаксации и эффективная масса будут получены из измерений магнетосопротивления.
4) Будут выполнены экспериментальные исследования дираковских материалов вблизи точки электронейтральности, главным образом будет изучено линейное магнетосопротивление. Будут исследованы особенности электронно-дырочной нейтральной системы в магнитном поле, когда напряжение Холла отсутствует и диссипативный ток течет вдоль краев образцов. Экспериментальные результаты будут проанализированы в рамках теории магнетосопротивления в классических магнитных полях. Особый интерес представляют исследования магнетотранспорта в двухкомпонентных системах с одинаковым числом электронов и дырок. Примером такой системы является графен, в котором уровень Ферми лежит вблизи точки электронейтральности [G.Yu.Vasileva et al PRB. 93, 195430 (2016)]. Новые интересные результаты ожидается получить в топологических материалах, где эффекты линейного магнетосопротивления не изучались подробно и не проводился детальный анализ экспериментальных данных с использованием теории для нейтральных электронно-дырочных систем в магнитном поле.
5) Будет проведено измерение квадратно корневого магнетосопротивления в графеновых монослоях с сильным короткодействующим потенциалом дефектов. Такое магнетосопротивление может быть реализовано только в системах с линейной дисперсией, и оно отсутствует в обычных полупроводников с параболической дисперсией. Будет выполнено сравнение экспериментальных данных с теоретическими расчетами, и определены условия, которые должны быть выполнены, чтобы наблюдать квадратно корневое магнетосопротивление экспериментально.
Результаты исследований будут опубликованы в ведущих российских и иностранных научных журналах.
Все запланированные в проекте исследования будут проводиться впервые и ожидаемые результаты будут иметь мировой приоритет.
