Китайские физики обнаружили гигантский — на два порядка больше по величине обычного — невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе на основе тетрадимита допированного оловом (Sn—Bi_1,1Sb_0,9Te₂S). Ученые объяснили его асимметричным рассеянием между квантовыми состояниями Холла и поверхностными состояниями Дирака.

Статья опубликована в Nature Materials.

В трехмерных топологических изоляторах внутренняя часть материала ведет себя как изолятор, а тонкий внешний слой — как проводник. Эти материалы обладают многими интересными свойствами — например, в них впервые удалось обнаружить майорановские фермионы.

Отличительная особенность топологических изоляторов — защита поверхностных состояний от дефектов и температуры благодаря симметрии. Однако в последнее время ученые изучают топологические состояния с нарушениями симметрии. В таких веществах распространение волн можно сделать однонаправленным, что уменьшит потери на обратное рассеяние. Впрочем, перенос в таких веществах оставался достаточно мал.

Невзаимный перенос заряда в топологическом изоляторе / Chunfeng Li et al. / Nature Materials, 2024

Ученые под руководством Чжана Шуая (Shuai Zhang), Вана Сюэфэня (Xuefeng Wang) и Суна Фэнци (Fengqi Song) из Нанкинского университета и ряда других институтов обнаружили в топологическом изоляторе (Sn—Bi_1,1Sb_0,9Te₂S) большой невзаимный перенос заряда. Для этого ученые прикладывали ток возбуждения низкой частоты к образцу, охлажденному до 1,6 кельвин и помещенному в сильное магнитное поле величиной 12 тесла, и получали сопротивление второй гармоники путем измерения переменного напряжения. В результате коэффициент невзаимного переноса оказался равен 2,2 × 10⁵ обратных ампер, что на два порядка больше, чем в предыдущих работах.

Схема возникновения невзаимного переноса в топологическом изоляторе / Chunfeng Li et al. / Nature Materials, 2024

Ученые отмечают, что полученные экспериментальные результаты хорошо согласуются с теоретическими расчетами. Эти расчеты показали, что при частичном заполнении асимметричное рассеяние между краевыми квантовыми состояниями Холла и орбитами Ландау как раз и приводит к подобному невзаимному переносу.