Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Квантовый спин Холл состояние является состояние материи предложило существовать в особенном, двумерный, полупроводниках , которые имеют квантованную проводимость спин-Холл и исчезающий заряд Hall проводимость. Квантовое спиновое холловское состояние материи является родственником целочисленного квантового холловского состояния и не требует приложения большого магнитного поля. Квантовое спиновое холловское состояние не нарушает симметрию сохранения заряда и симметрию сохранения спина (чтобы иметь хорошо определенные холловские проводимости).

Описание [ править ]

Первое предположение о существовании квантового спинового состояния Холла было разработано Чарльзом Кейном и Джином Меле [1], которые адаптировали более раннюю модель графена Ф. Дункана М. Холдейна [2], которая демонстрирует целочисленный квантовый эффект Холла. Модель Кейна и Меле - это две копии модели Холдейна, в которой электрон со спином вверх демонстрирует киральный целочисленный квантовый эффект Холла, а электрон со спином вниз демонстрирует антихиральный целочисленный квантовый эффект Холла . Релятивистская версия квантового спинового эффекта Холла была введена в 1990-е годы для численного моделирования киральных калибровочных теорий; [3] [4] простейший пример, состоящий из симметричного обращения четности и обращения времени.U (1) калибровочная теория с объемными фермионами противоположного знака массы, безмассовой поверхностной модой Дирака и объемными токами, несущими хиральность, но не заряженными (аналог спинового холловского тока). В целом модель Кейна-Меле имеет зарядовую холловскую проводимость, равную нулю, но спин-холловскую проводимость, равную точно (в единицах ). Независимо, квантовая спиновая модель Холла была предложена Андреем Берневигом  [ де ] и Шоученгом Чжаном [5] в сложной архитектуре деформации, которая из-за спин-орбитальной связи создает магнитное поле, направленное вверх для электронов со спином вверх, и магнитное поле. направленный вниз для электронов со спином вниз. Главный ингредиент - наличие спин-орбитальной связи., который можно понимать как зависящее от импульса магнитное поле, связанное со спином электрона.

Однако реальные экспериментальные системы далеки от представленной выше идеализированной картины, в которой электроны со спином вверх и вниз не связаны. Очень важным достижением было осознание того, что квантовое спиновое состояние Холла остается нетривиальным даже после введения рассеяния со спином вверх и вниз [6], которое разрушает квантовый спиновый эффект Холла. В отдельной статье Кейн и Меле ввели топологическийинвариант, который характеризует состояние как тривиальный или нетривиальный зонный изолятор (независимо от того, проявляет ли состояние квантовый спиновый эффект Холла или нет). Дальнейшие исследования стабильности краевой жидкости, через которую имеет место проводимость в квантовом спиновом холловском состоянии, показали, как аналитически, так и численно, что нетривиальное состояние устойчиво как к взаимодействиям, так и к дополнительным условиям спин-орбитальной связи, которые смешивают спин-вверх и спин- вниз электроны. Такое нетривиальное состояние (демонстрирующее или не проявляющее квантовый спиновый эффект Холла) называется топологическим изолятором , который является примером защищенного симметрией топологического порядка, защищенного симметрией сохранения заряда и симметрией обращения времени. (Обратите внимание, что квантовое спиновое состояние Холла также является защищенной симметрией топологическойсостояние, защищенное симметрией сохранения заряда и симметрией сохранения спина . Нам не нужна симметрия относительно обращения времени для защиты квантового спинового холловского состояния. Топологический изолятор и квантовое спиновое холловское состояние - это разные топологические состояния, защищенные симметрией. Таким образом, топологический изолятор и квантовое спиновое холловское состояние - это разные состояния материи.)

В квантовых ямах HgTe [ править ]

Поскольку графен имеет чрезвычайно слабую спин-орбитальную связь, очень маловероятно, что он будет поддерживать квантовое спиновое холловское состояние при температурах, достижимых с помощью современных технологий. В 2006 году Бернвиг, Хьюз и Чжан предсказали, что двумерные топологические изоляторы (также известные как квантовые спиновые холловские изоляторы) с одномерными спиральными краевыми состояниями могут возникать в квантовых ямах (очень тонких слоях) теллурида ртути между теллуридом кадмия, [7] и наблюдались в 2007 году. [8] 

Можно построить различные квантовые ямы различной толщины HgTe. Когда слой HgTe между CdTe тонкий, система ведет себя как обычный изолятор и не проводит, когда уровень Ферми находится в запрещенной зоне. Когда лист HgTe варьируется и становится толще (это требует изготовления отдельных квантовых ям), происходит интересное явление. Из-за перевернутой зонной структуры HgTe при некоторой критической толщине HgTe происходит переход Лифшица, при котором система закрывает объемную запрещенную зону, превращаясь в полуметалл, а затем снова открывает ее, превращаясь в квантовый спиновый холловский изолятор.

В процессе закрытия и повторного открытия зазора два краевых состояния выводятся из объема и пересекают объемный зазор. Таким образом, когда уровень Ферми находится в объемном зазоре, в проводимости преобладают краевые каналы, пересекающие зазор. Двухполюсная проводимость находится в квантовом спиновом холловском состоянии и равна нулю в нормальном изолирующем состоянии. Поскольку в проводимости преобладают краевые каналы, значение проводимости не должно зависеть от ширины образца. Магнитное поле должно разрушить квантовое спиновое состояние Холла, нарушив инвариантность относительно обращения времени и допуская на краю процессы рассеяния электронов со спином вверх и вниз. Все эти предсказания были экспериментально подтверждены в эксперименте [9], проведенном в лабораториях Моленкампа в г.Universität Würzburg в Германии.

См. Также [ править ]

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кейн, CL; Меле, Э.Дж. (25 ноября 2005 г.). «Квантовый спиновый эффект Холла в графене». Письма с физическим обзором . 95 (22): 226081. arXiv : cond-mat / 0411737 . Bibcode : 2005PhRvL..95v6801K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.95.226801 .
  2. ^ Холдейн, FDM (31 октября 1988). "Модель квантового эффекта Холла без уровней Ландау: реализация" аномалии четности "в конденсированной среде " . Письма с физическим обзором . 61 (18). Bibcode : 1988PhRvL..61.2015H . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.61.2015 .
  3. ^ Каплан, Дэвид Б. (1992). «Метод моделирования киральных фермионов на решетке». Физика Письма Б . 288 (3–4): 342–347. arXiv : hep-lat / 9206013 . Bibcode : 1992PhLB..288..342K . CiteSeerX 10.1.1.286.587 . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (92) 91112-м . 
  4. ^ Golterman, Maarten FL; Янсен, Карл; Каплан, Дэвид Б. (1993). "Токи Черна-Саймонса и киральные фермионы на решетке". Физика Письма Б . 301 (2–3): 219–223. arXiv : hep-lat / 9209003 . Bibcode : 1993PhLB..301..219G . DOI : 10.1016 / 0370-2693 (93) 90692-b .
  5. ^ Берневиг, Б. Андрей; Чжан, Шоу-Чэн (14 марта 2006 г.). «Квантовый спиновый эффект Холла». Письма с физическим обзором . 96 (10): 106802. arXiv : cond-mat / 0504147 . Bibcode : 2006PhRvL..96j6802B . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.96.106802 .
  6. ^ Кейн, CL; Меле, EJ (28 сентября 2005 г.). «Топологический порядок Z2 и квантовый спиновый эффект Холла». Письма с физическим обзором . 95 (14): 146802. arXiv : cond-mat / 0506581 . Bibcode : 2005PhRvL..95n6802K . DOI : 10.1103 / PhysRevLett.95.146802 .
  7. ^ Берневиг, Б. Андрей; Hughes, Taylor L .; Чжан, Шоу-Чэн (15 декабря 2006 г.). «Квантовый спиновый эффект Холла и топологический фазовый переход в квантовых ямах HgTe» . Наука . 314 (5806): 1757–1761. arXiv : cond-mat / 0611399 . DOI : 10.1126 / science.1133734 . ISSN 0036-8075 . PMID 17170299 .  
  8. ^ Кениг, Маркус; Видманн, Штеффен; Брюне, Кристоф; Рот, Андреас; Бухманн, Хартмут; Molenkamp, ​​Laurens W .; Ци, Сяо-Лян; Чжан, Шоу-Чэн (2007-11-02). «Квантовое состояние спинового холловского изолятора в квантовых ямах HgTe» . Наука . 318 (5851): 766–770. arXiv : 0710.0582 . DOI : 10.1126 / science.1148047 . ISSN 0036-8075 . PMID 17885096 .  
  9. ^ Кениг, Маркус; Видманн, Штеффен; Брюне, Кристоф; Рот, Андреас; Бухманн, Хартмут; Molenkamp, ​​Laurens W .; Ци, Сяо-Лян; Чжан, Шоу-Чэн (2 ноября 2007 г.). «Квантовое состояние спинового холловского изолятора в квантовых ямах HgTe». Наука . 318 (5851): 766–770. arXiv : 0710.0582 . Bibcode : 2007Sci ... 318..766K . DOI : 10.1126 / science.1148047 . PMID 17885096 . 

Дальнейшее чтение [ править ]

  • Maciejko, J .; Хьюз, TL; Чжан, SC (2011). «Квантовый спиновый эффект Холла». Ежегодный обзор физики конденсированного состояния . 2 : 31–53. Bibcode : 2011ARCMP ... 2 ... 31M . DOI : 10,1146 / annurev-conmatphys-062910-140538 .
  • Ци, X.-L. и Zhang, S.-C. (2011) Ред. Мод. Физ https://journals.aps.org/rmp/abstract/10.1103/RevModPhys.83.1057