Seminarium Fizyki Ciała Stałego

Przedstawię wyniki badań właściwości nietrywialnych stanów elektronowych na powierzchni stopów krystalicznych (Pb,Sn)Se należących do klasy Topologicznych Izolatorów Krystalicznych. Na powierzchni kryształów istnieją topologicznie chronione niezdegenerowane stany o helikalnej strukturze spinowej i liniowej zależności energii od wektora falowego. Dobrze zdefiniowany kierunek polaryzacji spinowej zależnej od kierunku pędu elektronu pozwala myśleć o zastosowaniach takich materiałów w urządzeniach spintronicznych. W badanym przez nas przypadku topologicznie chronione stany elektronowe opisywane są przez pary stożków Diraca rozszczepionych przez mieszanie między-dolinowe. Przykładając odpowiednio skierowane pole elektryczne można zniszczyć fazę topologiczną materiału i otworzyć przerwy energetyczne w punktach Diraca. Brak lub istnienie przerwy odpowiada dwóm stanom, przewodzącym lub nie, tranzystora topologicznego. W literaturze pojawiły się już pierwsze propozycje zastosowania tego typu materiałów do budowania przyrządów. Opierają się one na własnościach elektronów Diraca na gładkich dwuwymiarowych powierzchniach pozbawionych defektów oraz gładkich jednowymiarowych brzegach cienkich warstw. Elektroniczne i spintroniczne przyrządy buduje się jednak zazwyczaj z różnych warstw materiału zagrzebując krytyczne elementy pod warstwami ochronnymi. W naszej pracy pokazujemy co się dzieje gdy naturalną powierzchnię (powierzchnię łupliwości (001) ) kryształu (Pb,Sn)Se przykrywamy innym materiałem („normalnym” z punktu widzenia topologii stanów elektronowych) [1]. Przy pomocy spektroskopii ARPES oraz hodowli warstw in situ pokazaliśmy, że przykrywanie powierzchni pojedynczymi warstwami atomowymi wpływa na dolinowe rozszczepienie punktów Diraca powodując jego oscylacje w funkcji grubości warstwy a nawet jego kolaps gdy pokrycie powierzchni jest jedynie połowiczne. Na wartość rozszczepienia ma też wpływ rozmiar tworzących się tarasów o nieparzystej ilości warstw atomowych. Przy pomocy odpowiednich obliczeń pokazaliśmy, że rozszczepienie między-dolinowe odzyskiwane jest gdy rozmiary tarasów przekraczają 20nm. Taka sytuacja występuje też w przypadku naturalnie przełupanej powierzchni (Pb,Sn)Se. Wzdłuż krawędzi tarasów pojawiają się wtedy inne ciekawe jednowymiarowe stany elektronowe zlokalizowane wzdłuż stopni atomowych [2]. Na koniec omówię znaczenie uzyskanych wyników dla konstrukcji topologicznego tranzystora.

1. C. M. Polley, R. Buczko, A. Forsman, P. Dziawa, A. Szczerbakow, R. Rechciński, B. J. Kowalski, T. Story, M. Trzyna, M. Bianchi, A. Grubišić Čabo, P. Hofmann, O. Tjernberg, and T. Balasubramanian, „Fragility of the Dirac Cone Splitting in Topological Crystalline Insulator Heterostructures”, ACS Nano 12, 617 (2018),

2. P. Sessi, D. Di Sante, A. Szczerbakow, F. Glott, S. Wilfert, H. Schmidt, T. Bathon, P. Dziawa, M. Greiter,; T. Neupert, G. Sangiovanni,; T. Story, R. Thomale,; M. Bode, “Robust Spin-Polarized Midgap States at Step Edges of Topological Crystalline Insulators”, Science 354, 1269 (2016).