M. Reyes Calvo, Departamento de Física Aplicada, Universidad de Alicante, Alicante (Spain)

Desorden y electrostática en el borde de los aislantes topológicos 2D

Abstracs:
La intercara entre dos materiales semiconductores alberga a menudo estados electrónicos confinados con relevantes aplicaciones tecnológicas. Cuando uno de estos semiconductores presenta además inversión de bandas, aparecen estados de superficie con dispersión lineal y propiedades exóticas de spin. Este escenario, ya predicho en los años 80 [1], fue contextualizado en la pasada década en términos de la topología de la estructura electrónica de los materiales [2]. En este contexto, los estados de intercara aparecen como consecuencia de una transición entre fases que pertenecen a distintas clases topológicas y sus propiedades están protegidas por argumentos de simetría.

La mayoría de los materiales semiconductores pertenecen a una clase topológica trivial. Sin embargo, los semiconductores con inversión de bandas pueden ser no triviales, y se conocen como aislantes topológicos. En el caso de aislantes topológicos bidimensionales (2D-TIs), los estados de borde se conocen como estados Hall Cuántico de Spin (QSH), y la conducción en estos estados está en principio protegida frente a dispersión por el bloqueo entre el momento lineal y el de espín. Sin embargo, las propiedades ideales predichas por los modelos más sencillos parecen fallar cuando se estudian materiales reales como por ejemplo los pozos cuánticos de HgTe [3]. La conducción en el borde de los dispositivos de HgTe muestra signos de dispersión a distancias mayores de una micra, muy probablemente debidas a la inhomogeneidad del material [4].

Mediante la aplicación de un campo eléctrico local, nuestros resultados experimentales ponen de relevancia el papel del desorden, pero muestran también cambios de conductancia en respuesta a la perturbación del borde y el volumen de la muestra, que requieren de consideraciones electrostáticas para su explicación.  Estas consideraciones, que han sido largamente ignoradas en el estudio de este problema, pueden producir una modulación de la transición entre la zona de gap invertido y la trivial, (en analogía al band bending de los semiconductores clásicos). Cuando esta transición ocurre de forma suave y no abrupta, los estados de QSH aparecen acompañados de estados de borde no protegidos, con dispersión parabólica, que pueden contribuir a la conducción, justificando los resultados experimentales [5,6].

References:

[1] OA Pankratov et al. Solid State Communications, 61, 1987
[2] BA Bernevig et al. Science  314, 2006
[3] M Konig et al. Science 318, 2007

[4] M Konig et al. Phys. Rev. X 3, 2013

[5] MR Calvo et al. in preparation.

[6] TL van den Berg, et al. Phys Rev. Research 2 2020