ИСТИНА

Экспериментальное обнаружение теоретически предсказанных ранее состояний, характеризуемых топологически нетривиальным энергетическим спектром, возбудило интерес мировой научной общественности к исследованию топологических фаз. Уникальные свойства поверхностных носителей заряда в топологических изоляторах, такие как линейная дисперсия, отсутствие обратного рассеяния и спиновая поляризация, открывают перспективы для создания на основе этих материалов приборов электроники, спинтроники и квантовых компьютеров. Сочетание фундаментальных квантовых релятивистских эффектов с возможностью практических приложений позволяет рассматривать данное направление исследований как одно из приоритетных в физике конденсированного состояния. Основным экспериментальным методом, позволяющим получить информацию о виде закона дисперсии носителей, является фотоэлектронная спектроскопия с угловым разрешением. Однако этот метод не дает ответа на вопрос о качественном и количественном влиянии поверхностных топологических состояний на транспортные свойства. Исследование явлений переноса и фотоэлектрических свойств твердых растворов полупроводников варьируемого состава, демонстрирующих переход «топологическая фаза» – «тривиальное состояние», может предоставить ценную информацию о транспорте в топологических материалах и об особенностях модификации топологических состояний в непосредственной близости от точки перехода. Примерами систем, в которых при изменении состава наблюдается качественная перестройка электронного энергетического спектра, сопровождающаяся топологическим фазовым переходом, служат твердые растворы на основе 3D топологических изоляторов (Bi1-хInх)2Se3, топологических кристаллических изоляторов Pb1-хSnхSe, дираковских полуметаллов (Cd1-хZnх)3As2, исследованные нами ранее. Как правило, высокая проводимость в объеме в рассматриваемых материалах осложняет выявление вклада поверхности в транспорт. Одним из эффективных методов исследования, нечувствительных к процессам переноса в объеме, может служить подход, основанный на анализе процессов диффузии носителей, возбужденных терагерцовым импульсным излучением в приповерхностном слое образца, помещенного в магнитное поле. Отклонение диффузионных потоков неравновесных носителей в перпендикулярном магнитном поле приводит к возникновению разности потенциалов (фотоэлектромагнитный (ФЭМ) эффект). В случае сильно вырожденных полупроводников энергия кванта терагерцового излучения ~ 10 мэВ мала по сравнению с характерной величиной энергии Ферми, поэтому генерационные процессы при таком фотовозбуждении маловероятны. В этом случае наблюдаемый ФЭМ эффект обусловлен градиентом подвижности носителей на поверхности и в объеме образца. Для ряда изученных нами систем применение описанной методики позволило установить существование поверхностных носителей с повышенными по сравнению с объемом значениями подвижности. В то же время было продемонстрировано, что эффект повышения подвижности на поверхности не связан с топологическим поверхностным слоем. Наши исследования ФЭМ эффекта в твердых растворах на основе 3D топологических изоляторов (Bi1-xInx)2Se3 и дираковских полуметаллов (Cd1-хZnх)3As2 показали, что в топологически нетривиальной фазе процессы термализации электронного газа оказываются замедленными вследствие сильного подавления электрон-электронного взаимодействия. Обсуждалась роль жесткой связи между направлениями спина и импульса электрона в поверхностном топологическом слое в наблюдаемых эффектах. Одной из важнейших задач настоящего проекта является выявление общих закономерностей, обусловленных наличием спиновой поляризации, в процессах релаксации неравновесных носителей в топологической фазе. В рамках данного проекта в качестве основных объектов исследования будут выбраны твердые растворы на основе халькогенидов сурьмы и висмута (в частности, монокристаллы (Sb1-хInх)2Te3, (Bi1-хSbх)2Te3) и синтезированные методом молекулярно-пучковой эпитаксии гетероструктуры на основе теллурида кадмия-ртути Hg1-xCdxTe в области составов, соответствующих как инверсному энергетическому спектру (топологическая фаза), так и прямой структуре зон (тривиальное состояние).

Discovery of theoretically predicted topologically nontrivial states has stimulated the interest in properties of topological phases. Unique properties of charge carriers in topological insulators, such as linear dispersion relation, backscattering damping, spin polarization, open new prospects for the development of topological material based electronic and spintronic devices and quantum computers. Fundamental quantum relativistic effects together with practical application feasibility, allows us to assume this research area as a priority one in the condensed matter physics. The angle resolved photoemission spectroscopy (ARPES) is a main tool which provides us with data on the energy dispersion relation of charge carriers. However, this method gives no answer to the question of what is the effect of the topological surface states on the transport properties. Study of the transport and photoelectric phenomena in semiconductor solid solutions that demonstrate a transition from the topological to the trivial phase may provide us with useful information on the nontrivial state contribution to the transport. Moreover, this may reveal topological state modification features in the close vicinity of the transition point. Solid solutions based on (Bi1-хInх)2Se3 3D topological insulators, Pb1-хSnхSe topological crystal insulators, (Cd1-хZnх)3As2 Dirac semimetals are the examples of the materials in which certain variations in alloy compositions lead to the energy spectrum modification followed by topological phase transition. Determination of the surface contribution to the transport in this kind of materials is a challenge due to generally high bulk carrier concentration values. A study of near-surface diffusion processes caused by terahertz excitation of the carriers in magnetic field is shown to be a powerful method of the surface state probing. This method based on photoelectromagnetic (PEM) effect is insensitive to the bulk transport processes. The PEM effect is an appearance of the potential drop, which originates from the deflection of the diffusive carrier fluxes in the perpendicularly oriented magnetic field. In case of highly degenerate semiconductors, the terahertz photon energy (~ 10 meV) is low in comparison with the typical Fermi energy values. Under such conditions, the carrier generation processes are unlikely and the PEM effect occurs due to the carrier mobility gradient between the surface and the bulk. This experimental approach has allowed to demonstrate the presence of surface electrons with enhanced mobility values in a range of systems. At the same time, it has been found that the highly conductive surface states observed are not necessarily the topological ones. Furthermore, our study of (Bi1-xInx)2Se3 topological insulators and (Cd1-хZnх)3As2 Dirac semimetals have demonstrated that the PEM effect amplitude is defined by the power absorbed in case of the trivial phase and by the photon flux density in case of the topological state. It means that in the topological phase, the photoexcited electrons first thermalize in the surface area, and afterwards the diffusion process begins. On the contrary, the non-thermalized electrons diffusion is observed in the topological insulator phase. Such a behavior can be explained by a slowdown of the electron thermalization processes due to a strong damping of the electron-electron interaction in the nontrivial phase. The spin-momentum locking effect on the observed photoelectromagnetic phenomena has been discussed. This project is focused on a study of the photoelectric phenomena induced by the terahertz radiation in semiconducting solid solutions demonstrating the transition between topological and trivial phases with the inverted and direct electron energy spectrum, respectively, at a variation of the alloy composition. Overall purpose of the study is to determine topological state contribution to the photoelectric effects. One of the most important goals of this project is to find common regularities attributed to the spin polarized carrier relaxation processes in the topological phase. The bismuth and antimony chalcogenides based solid solutions (including (Sb1-хInх)2Te3 and (Bi1-хInх)2Te3 single crystals grown by Bridgman technique) and MBE grown Hg1-xCdxTe based heterostructures within the composition range corresponding to the trivial (direct energy spectrum) and topological (inverted energy spectrum) phases are the main systems to be investigated within the project.

Основным результатом предлагаемого проекта будет сравнительный анализ фотоэлектрических свойств твердых растворов на основе халькогенидов сурьмы и висмута и теллуридов кадмия- ртути в топологической и тривиальной фазах в условиях комбинированного воздействия терагерцового излучения и магнитного поля. Будут получены полевые зависимости амплитуды фотоэлектромагнитного эффекта в магнитных полях до 7 Тл и кинетика терагерцовой фотопроводимости при варьируемых параметрах образцов и внешних воздействий. Предполагается, что планируемые в рамках проекта исследования позволят установить отличительные особенности транспортных и фотоэлектрическх свойств топологических фаз . Ожидается, что полученные результаты исследования терагерцовой фотопроводимости и фотогальваномагнитного эффекта внесут ясность в понимание природы фотоэлектрических явлений в топологических материалах и позволят определить вклад нетривиальных поверхностных состояний в наблюдаемые эффекты.

Для ряда изученных нами систем применение методики, основанной на исследовании ФЭМ эффекта, позволило установить существование поверхностных носителей с повышенными по сравнению с объемом значениями подвижности. Вместе с тем, было продемонстрировано, что сами по себе повышенные значения подвижности не обязательно свидетельствуют о том, что соответствующие носители являются топологическими. Исследование особенностей ФЭМ эффекта в твердых растворах на основе 3D топологических изоляторов (Bi1-xInx)2Se3 и дираковских полуметаллов (Cd1-хZnх)3As2 показали, что амплитуда ФЭМ эффекта определяется мощностью падающего излучения в тривиальной фазе и плотностью потока падающих квантов в топологической фазе. Это означает, что в тривиальной фазе возбужденные электроны сначала термализуются в приповерхностном слое, и только потом начинают эффективно диффундировать. Отклонение диффузионного потока в магнитном поле приводит к возникновению эдс ФЭМ эффекта, которая определяется значением мощности падающего излучения. В топологической фазе, по всей видимости, наблюдается диффузия нетермализованных носителей, и возникающее напряжение ФЭМ эффекта определяется числом падающих в единицу времени квантов излучения. То есть процессы термализации электронного газа в топологическом состоянии оказываются замедленными, вероятно, вследствие сильного подавления электрон-электронного взаимодействия. Обсуждалась роль жесткой связи между направлениями спина и импульса электрона в поверхностном топологическом слое в наблюдаемых эффектах.