Давление трансформирует полупроводник в топологический изолятор

Подвергнув полупроводник воздействию давления, исследователи смогли перевести его в состояние с экзотическими электрическими свойствами, называемое топологическим изолятором (ТИ). Первый в мире эксперимент по постепенному преобразованию материала в ТИ внешним давлением осуществлен в Брукхэвенской лаборатории на Национальном источнике синхротронного излучения (National Synchrotron Light Source, NSLS).

Полупроводник, выступающий объектом данного исследования, представляет собой композицию висмута, теллура и йода (BiTeI). Топологический изолятор из материалов подобного состава до сих пор получали методом легирования, либо выращивая его на подложке, создающей структурные напряжения. Оба этих метода имеют свои недостатки. Легирование вносит в образец дефекты и неоднородности, а внесение напряжений подложкой не позволяет непрерывно контролировать процесс преобразования обычного изолятора в ТИ.

Использование давления устраняет эти недочеты. В NSLS ученые подвергли образец BiTeI давлению в 10 гигапаскалей, что примерно соответствует 100 тыс. атмосфер. При этом, они были способны отслеживать происходящие структурные изменения методами рентгеновской порошковой дифракции и инфракрасной спектроскопии.

По данным анализа, переход материала в состояние ТИ происходит в диапазоне давлений от 2 до 8 ГПа. При росте давления с 2 до 2,9 ГПа инфракрасная спектроскопия показывает достижение максимума «плазменной частоты», параметра, непосредственно связанного с электронной структурой и транспортными свойствами материала. Это свидетельствует о том, что полупроводящая запрещенная зона BiTeI, обычно препятствующая электронам принимать участие в проводимости, закрывается, а затем снова открывается по мере прохождения давления через область преобразования.

Несмотря на то, что физика топологических изоляторов изучена довольно неплохо, расширение семейства ТИ продолжает оставаться сложной задачей. «Мы рассчитываем, что инфракрасная спектроскопия в сочетании с давлением будет полезна для исследования других кандидатов в ТИ, предложенных теорией», — говорится в статье, опубликованной по результатам работы в онлайновом издании Physical Review Letters.