Демонстрация топологической защиты как фазово-когерентного явления / Петруша С.В., Тихонов Е.С., Квон З.Д., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А.,Храпай В.С.

Одним из ключевых аспектов топологической зонной теории является предсказаниесуществования геликальных поверхностных (в трехмерных системах) или краевых (в двумерных)состояний в топологических изоляторах (ТИ). Для таких электронных состояний предполагаетсятопологическая защита относительно фазово-когерентного рассеяния назад. Данное предсказаниеимеет фундаментальное значение для краевых состояний в двумерных ТИ, так как наличие тольконекогерентного рассеяния назад предотвращает Андерсоновскую локализацию, неизбежную дляобычных одномерных систем в пределе низкой температуры.На сегодняшний день имеющиеся экспериментальные подтверждения существованиятопологической защиты остаются косвенными и неоднозначными. В то время, как нет сомнений втом, что в двумерных ТИ ток протекает по краю [1], сопротивление близкое к кванту 2q ehRнаблюдается только для наиболее коротких образцов и с невысокой точностью [2][3]. При этомувеличение длины края приводит к линейному росту сопротивления, характерному длядиффузионных проводников [4]. Отсутствие выраженной температурной зависимости, создаетсложности в построении состоятельной модели сбоя фазы. Альтернативные к изучениюсопротивления подходы, связанные с измерением дробового шума, не позволяют сделатьоднозначный вывод о природе краевого транспорта [5].Данная работа [6] посвящена исследованию сопротивления образцов 14нм и 8.3нм квантовыхям HgTe с инвертированным спектром в магнитном поле. Изучались края длиной от ~1мкм до 30мкм,с сопротивлением (R) в нулевом магнитном поле (B) от Rq до 10Rq . При низкой температуре T (<200мК) и в малых полях B (~несколько десятков мТ), R резко возрастает до ~1 ГОм в случаеквазибаллистических и 10 ГОм для резистивных краев, при этом электронный транспорт остаетсякраевым. В магнитном поле температурная зависимость R(T) имеет активационный характер.Величина энергии активации достигает нескольких десятков мкэВ, зависит от ширины квантовойямы, поля и длины края и не имеет очевидной связи с одночастичным спектром. При этом взатворной характеристике наблюдаются значительные флуктуации во всем режиме двумерного ТИ,сопровождающиеся сильно нелинейными вольт-амперными характеристиками.Таким образом, наш эксперимент демонстрирует Андерсоновскую локализацию геликальныхкраевых состояний, наступающую в конечном магнитном поле. Напротив, отсутствие локализации внулевом поле является результатом топологической защиты краевых состояний от когерентногорассеяния назад при наличии симметрии по отношению к обращению времени. Мы полагаем, чтоэтот результат крайне важен для всей физики ТИ, так как является первой прямой демонстрациейтопологической защиты в двумерных ТИ как фазово-когерентного феномена.