Циклотронный резонанс дираковских фермионов в квантовых ямах InAs/GaSb/InAs

Abstract

Теоретически исследована зонная структура в трехслойных симметричных квантовых ямах InAs/GaSb/InAs, ограниченных барьерами AlSb. Показано, что в зависимости от соотношения толщин слоев InAs и GaSb в системе может реализовываться нормальная зонная структура, бесщелевое состояние с дираковским конусом в центре зоны Бриллюэна и инвертированная зонная структура (двумерный топологический изолятор). Экспериментальные исследования циклотронного резонанса в образцах с бесщелевым зонным спектром, выполненные при различных значениях концентрации электронов, подтверждают существование безмассовых дираковских фермионов в квантовых ямах InAs/GaSb/InAs. ВведениеДо недавнего времени графен был единственной двумерной (2D) системой с энергетическим спектром безмассовых дираковских фермионов в двух неэквива-лентных долинах, что является следствием симметрии графеновой решетки [1]. В настоящее время помимо гра-фена существует два типа систем, в которых возможна реализация однодолинных 2D безмассовых фермионов: поверхности трехмерных топологических изоляторов (ТИ) [2,3] и квантовые ямы (КЯ) на основе полупровод-ников с инвертированным зонным спектром. Несмотря на то что существование состояния трехмерного ТИ предсказано в довольно большом количестве матери-алов [2,3], целый ряд свойств однодолинных 2D без-массовых фермионов на поверхности таких материалов обнаружить пока не удалось. Последнее обстоятельство связано со сложностью разделения вкладов в электрон-ный транспорт и магнитопоглощение от объемных и поверхностных состояний. В структурах с КЯ указанная проблема отсутствует.В работах [4][5][6][7] было показано, что в КЯ HgTe/CdHgTe, толщина которых близка к критической d c ≈ 6.3 нм (для доли Cd в барьере 0.7), соответству-ющей переходу от прямого спектра к инвертирован-ному, реализуется система бесщелевых однодолинных 2D дираковских фермионов. При ширине КЯ d > d c зонный спектр является инвертированным, т. е. нижняя электроноподобная подзона E1 лежит ниже верхней дырочноподобной подзоны HH1. В свою очередь, это приводит к возникновению состояния 2D ТИ [6,7] в системе, при котором на краях образца возникают проводящие краевые состояния с линейным законом дисперсии.В данной работе мы сообщаем об обнаружении и исследовании циклотронного резонанса (ЦР) безмассо-вых 2D дираковских фермионов в " трехслойных" КЯ InAs/GaSb/InAs, ограниченных барьерами AlSb. Ранее в " двухслойных" гетероструктурах с КЯ InAs/GaSb было также предсказано теоретически [8], а затем обнару-жено экспериментально состояние 2D топологическо-го изолятора [9]. Главным отличием двухслойных КЯ InAs/GaSb от КЯ HgTe/CdHgTe является пересечение подзон E1 и HH1 в точке k = 0 [8]. Отметим, что возможность перехода от прямой зонной структуры при изменении толщин слоев к инвертированной в КЯ на основе InAs/GaSb появляется благодаря уни-кальному взаимному расположению краев валентной зоны GaSb и зоны проводимости InAs на гетерогранице InAs−GaSb.В настоящей работе выполнены теоретические ис-следования перехода от прямой к инвертированной зонной структуре в трехслойных КЯ I...

Спектры фотолюминесценции квантовых ям InAs/GaInSb/InAs в среднем ИК диапазоне

“…Поверх выращивался покрывающий слой GaSb толщиной 6 нм. Зонная структура, волновые функции (ВФ) электронов и дырок и матричные элементы операторов скорости для межзонных переходов рассчитывались в рамках 4-зонной модели Кейна [5]…”