Спиновое расщепление поверхностных состояний в 20 нм HgTe квантовой яме / Добрецова А.А., Квон З.Д., Криштопенко С.С., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А.

Поверхностные состояния в пленках трехмерного топологического изолятора, как известно,демонстрируют значительное Рашба-подобное спиновое расщепление, которое обусловлено разницейв электрических потенциалах двух поверхностей пленки [1]. Такое спиновое расщепление быловпервые обнаружено в квантовых ямах Bi2Se3 [2] — обычном трехмерным топологическом изоляторес дираковскими поверхностными состояниями. Спиновое расщепление также наблюдается дляповерхностных состояний в квантовых ямах на основе HgTe и естественно связано со спиновымрасщеплением подзоны H1. В ранних экспериментальных работах для 12 - 21 нм широких HgTe ям[3] большое спиновое расщепление подзоны H1 объяснялось расщеплением Рашбы в двухмерныхсистемах, усиленное узкой щелью, большим спин-орбитальным взаимодействием и природойтяжелых-дырок подзоны H1. Последнее, однако, противоречит тому обстоятельству, что спиновоерасщепление остальных подзон зоны тяжелыхдырок H2, H3 и т. д. значительно меньше.В настоящей работе [4] мы исследовалиспиновое расщепление зоны проводимости 20-22 нм HgTe квантовых ям с асимметричнымпрофилем, варьируемым напряжением наверхнем затворе. Картина биений в осцилляцияхШубникова — де Гааза, обнаруженная во всехобразцах при приложенном затворномнапряжении, указывает на два типа электронов сразличными концентрациями на уровне Ферми,возникающих вследствие Рашба-подобногоспинового расщепления первой подзоныпроводимости H1. Разность двух концентрацийΔNs как функция затворного напряжениякачественно объясняется предложеннойупрощенной электростатической модельюповерхностных состояний, локализованных нагетерограницах квантовых ям.Экспериментальные значения ΔNs также находятся в хорошем количественном согласии ссамосогласованными расчетами уравнений Пуассона и Шредингера с восьмизонным kpгамильтонианом. Полученные результаты наглядно демонстрируют, что большое спиновоерасщепление первой подзоны проводимости обусловлено поверхностной природой состояний H1.