Grupa naukowców z Instytutu Fizyki Półprzewodników i Ciała Stałego oraz Laboratorium Fizycznego Ecole Normale Superieure Paryż, Francja we współpracy z naukowcami z linii badawczej URANOS z Centrum SOLARIS opublikowali na łamach Physical Review Letters wyniki swoich badań dotyczących kwantowej fazy Halla spolaryzowanej dolinowo w układzie Diraca. Różne lokalne minima pasm - nazywane dolinami - wielodolinowego dwuwymiarowego izolatora topologicznego zostały niezależnie scharakteryzowane za pomocą eksperymentu ARPES. Wykazano efektywną kontrolę nad ich populacją elektronową za pomocą mechanicznego naprężenia.

W przypadku półprzewodnikowego systemu wielodolinowego, lokalne minima pasm występują w różnych miejscach strefy Brillouina. Te doliny stanowią nowy stopień swobody dla elektronów i mogą być traktowane jako pseudospiny. Kontrola populacji dolin niezależnie od siebie jest kluczowa dla rozwoju walleytroniki – technologii kontrolowania stopnia swobody doliny – oraz badania interesujących zjawisk pseudospinowych, takich jak skyrmiony, fale gęstości ładunku czy ferromagnetyzm kwantowy Halla. 

Korzystając z linii badawczej URANOS, wykazano pełną kontrolę nad rozszczepieniem energetycznym doliny w funkcji naprężenia przyłożonego w kierunkach równoległych do płaszczyzny materiału w układzie IV-VI Pb_1-xSn_xSe. Naprężenie to jest określane przez niedopasowanie sieci krystalicznej między warstwą buforową między warstwą buforową a warstwą cienką warstwą i zależy od zawartości Sn. Struktura pasmowa kilku kwantowych studni Pb_1-xSn_xSe o grubości 20 nm została zmierzona w pobliżu dwóch rodzajów dolin w tych materiałach, w punktach Γ ̅ i M ̅. Jak pokazano na Rysunku 1, zaobserwowano ogromną ilość dyspersji podpasmowych, świadczących o wysokiej rozdzielczości eksperymentów na linii pomiarowej URANOS i wysokiej jakości próbek.

ARPES jest jedną z nielicznych technik eksperymentalnych, pozwalających niezależnie badać właściwości struktury pasmowej w pobliżu wybranych obszarów strefy Brillouina. W ten sposób względna pozycja energetyczna minimów pasm w pobliżu punktu Γ ̅ oraz punktu M może być zmierzona względem energii Fermiego. W miarę wzrostu naprężenia pasma w punkcie M przesuwają się energetycznie „w górę” w porównaniu z pasmami w pobliżu punktu Γ ̅ (patrz Rysunek 1).

Rozszczepienie energetyczne doliny, reprezentowane przez Δ _l-o, okazuje się być bardzo wrażliwe na naprężenie i zmienia się o 160 meV na 1% naprężenia, co jest dwukrotnie większe niż na przykład w przypadku systemu AlAs. 

Publikacja ta pokazała jak bardzo efektywna jest kontrola doliny za pomocą naprężenia w materiałach IV-VI, co umożliwiło badanie faz kwantowych Halla z polaryzacją doliny w eksperymentach transportowych, gdzie obserwowane są chiralne stany brzegowe tylko jednej lub drugiej doliny. Niniejsze badanie ARPES demonstruje kluczowe właściwości dla rozwoju urządzeń walleytroniki opartych na systemie Pb_1-xSn_xSe.

Rysunek 1. Pomiary ARPES ograniczonych podpasm w pobliżu środka (punkt Γ ̅; na czarno) i krawędzi (punkt M ̅; na czerwono) 2D strefy Brillouina PbSe (a), PbSnSe (b) i PbSnSe ( c) studnie kwantowe (QW) o grubości 20 nm. Wielkość odkształcenia odpowiednio zmienia się od 0 do 0,3 i 0,5%. Wskazano rozszczepienie doliny Δ _l-o.

Autor: Gauthier Krizman

Link do publikacji: G. Krizman, J. Bermejo-Ortiz, T. Zakusylo, M. Hajlaoui, T. Takashiro, M. Rosmus, N. Olszowska, J. J. Kołodziej, G. Bauer, Y. Guldner, G. Springholz, and L.-A. de Vaulchier,Valley-Polarized Quantum Hall Phase in a Strain-Controlled Dirac System, Physical Review Letters, 132, 166601, Vol. 132, Iss. 16 — 19 April 2024 doi:10.1103/PhysRevLett.132.166601