Магнитоиндуцированные фотогальванические эффекты в напряженных пленках HgTe / Будкин Г.В., Candussio S., Otteneder M., Козлов Д.А., Дмитриев И.А., Бельков В.В.,Тарасенко С.А., Квон З.Д., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Ганичев С.Д.

Обнаружены и исследованы экспериментально и теоретически фотогальванические эффекты наповерхностных состояниях трехмерных топологических изоляторов на основе пленок HgTe.Продемонстрировано, что во внешнем магнитном поле возбуждение поверхностных носителейзаряда терагерцовым излучением приводит к генерации фототока.Фотогальванические эффекты изучены в (013)-ориентированных пленках HgTe толщиной 80нм и 200 нм, выращенных с помощью молекулярно-пучковой эпитаксии. Напряженные пленки наоснове HgTe обладают инвертированной зонной структурой и являются трехмернымитопологическими изоляторами с проводящими поверхностными состояниями. Поверхностныесостояния на каждой из границ пленки не вырождены по спину и характеризуются жесткой связьюмежду ориентацией спина и направлением импульса. Низкая симметрия (013)-ориентированныхпленок позволила изучать фотогальванические эффекты в геометрии нормального падения излученияи нормального магнитного поля. В экспериментальных зависимостях фототока от магнитного полянаблюдаются два близко расположенных резонанса, которые соответствуют циклотроннымрезонансам на двух поверхностях пленки. Циклотронные массы, равные приблизительно 0.03·m0 и0.04·m0, полученные из положений резонансов, хорошо согласуются со значениями, рассчитанными врамках многозонной k·p-модели. Показано, что хотя толщина 200 нм пленок немного больше, чемпредполагаемая критическая толщина релаксации напряженного кристалла, в них такжеприсутствуют поверхностные состояния с характеристиками, подобными топологическимсостояниям напряженных 80 нм пленок.Разработана теория поверхностного фотогальванического эффекта, обусловленного генерациейтока в процессе энергетической релаксации фотовозбужденных носителей на фононах. Фототоксвязан с асимметрией электрон-фононного рассеяния в импульсном пространстве, индуцированнойприложенным магнитным полем. В изучаемых толстых пленках толщина проводящих каналов наобоих поверхностнях пленки значительно меньше толщины пленки. Таким образом, связь междуповерхностными состояниями пренебрежимо мала, что позволяет рассматривать их независимо. Вусловиях непрямой оптической накачки электроны поглощают энергию электромагнитного поля,нагреваются и передают ее решетке за счет испускания фононов. В присутствии магнитного полятакой процесс релаксации энергии поверхностных носителей заряда приводит к возникновению тока,микроскопически это обусловлено линейной по магнитному полю добавкой в матричный элементэлектрон-фононного взаимодействия. В условиях, когда частота излучения совпадает с циклотроннойчастотой, поглощение излучения поверхностными носителями заряда резонансно усиливается, что, всвою очередь, и приводит к многократному увеличению фототока. Из-за неэквивалентности нижнейи верхней границы пленки HgTe резонансы в зависимости фототока возникают при двух разныхмагнитных полях.