Odkrycie, że wartość oporu Halla zależy wyłącznie od stałej Plancka h i ładunku elektronu e w układach dwuwymiarowych w silnych polach magnetycznych  ujawniło rolę topologii w fizyce materii skondensowanej. Odegrało też kluczową rolę w zdefiniowaniu w 2019 r. jednostek SI wykorzystując stałe fizyczne, rezygnując przy tym z tradycyjnych wzorców typu kilograma i metra. Ostatnio także w przypadku kwantowego anomalnego zjawiska Halla (QAHE) osiągnięto dokładność o znaczeniu metrologicznym, co pozwala na wytwarzanie wzorców oporu działających bez zewnętrznego pola magnetycznego. Tomasz Dietl, zainspirowany wynikami doświadczalnymi zgromadzonymi przez naukowców z Uniwersytetu w Würzburgu i z dwóch warszawskich ośrodków MAB: MagTop/IFPAN i CENTERA/Unipress, wyjaśnił pochodzenie niskiej precyzji kwantyzacji w przypadku trzeciego członka kwantowego tria zjawisk Halla: kwantowego spinowego zjawiska Halla (QSHE) .

 

W obrazie mikroskopowym kwantowych zjawisk Halla prąd elektryczny płynie przez jednowymiarowe stany na krawędziach dwuwymiarowej próbki. Wartość oporu elektrycznego jest skwantowana w jednostkach h/e2, gdy nie ma rozpraszaniem do tył, tj. przewodnictwo prądu jest chronione topologicznie. W przypadku QSHE symetria odwrócenia czasu wymaga aby stany krawędziowe tworzyły parę Kramersa (stany helikalne), jak pokazano na rysunku. Z kolei w przypadku QHE i QAHE symetria odwrócenia czasu jest złamana przez silne pole magnetyczne lub uporządkowane ferromagnetyczne zlokalizowanych spinów Cr lub V, co skutkuje występowaniem chiralnych kanałów krawędziowych – stany o różnym kierunku prędkości są na przeciwległych krawędziach próbki.

 

W omawianych pracach rozważono rolę domieszek, które istnieją w każdej próbce, a ich stężenie jest znane z szerokości napięcia bramki odpowiadającej obszarowi przerwy energetycznej. Określając energie jonizacji domieszek oraz siłę zależnego od spinu oddziaływanie między elektronami krawędziowymi a dziurami  w stanach akceptorowych w sposób nieperturbacyjny, opisano wielkość średniej drogi elektronu bez rozpraszania między parą stanów krawędziowych w topologicznych studniach kwantowych HgTe i monowarstwach WTe2. Stwierdzono, że droga ta wynosi ok. 10 i 0,1 µm dla odpowiednio studni kwantowych HgTe i monowarstw WTe2, czyli jest o kilka rzędów wielkości krótsza niż w przypadku zjawisk QHE i QAHE. Wykazano także, że domieszki paramagnetyczne, takie jak Mn, mogą przywrócić precyzję kwantyzacji. Wydaje się to dziwne, ale oszacowania ilościowe pokazują, że wokół akceptorów obsadzonych przez dziury tworzą się obszary ferromagnetycznie spolaryzowanych spinów Mn (tzw. związane polarony magnetyczne), które osłabiają sprzężenie między elektronami i dziurami, a tym samym zmniejszają efektywność rozpraszania do tył w niskich temperaturach.

 

literatura:

  1. Dietl, „Effects of charge dopants in quantum spin Hall materials”

https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevLett.130.086202

  1. Dietl, „Quantitative theory of backscattering in topological HgTe and (Hg,Mn)Te quantum wells: Acceptor states, Kondo effect, precessional dephasing, and bound magnetic polaron” https://link.aps.org/doi/10.1103/PhysRevB.107.085421 (Editors’Suggestion)