| Tytuł: | Badania kwantowego zjawiska Halla w studniach kwantowych HgTe/HgCdTe z fermionami Diraca |
| Kierownik projektu: | Ivan Yahniuk |
| Laboratorium: | Laboratorium Promieniowania Terahercowego (TeraGaN) (NL-11) |
| Nazwa konkursu, programu: | PRELUDIUM |
| Numer projektu: | 2017/25/N/ST3/00408 |
| Data realizacji: | 30.01.2018 29.01.2020 |
| Podmiot realizujący: | Instytut Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk |
| Typ realizacji projektu: | Projekt realizowany samodzielnie |
| Przyznane środki ogółem: | 119400zł |
| Przyznane środki dla podmiotu: | 119400zł |
| Instytucja finansująca: | Narodowe Centrum Nauki |
Opis projektu
| Eksperymentalne odkrycie kwantowego efektu Halla (ang. Quantum Hall Effect - QHE), które występuje tylko w dwuwymiarowym gazie elektronowym (2DEG) - jest jednym z najbardziej ekscytujących odkryć fizyki materii skondensowanej XX wieku [1]. Wykazano, że zjawisko wykazuje bardzo wysoką precyzją niezależną od materiałów wyjściowych, w których 2DEG jest wbudowany. Dlatego, pomiary QHE są obecnie stosowane w różnych Państwowych Instytutach związanych z metrologią [2]. Jednakże jego zastosowanie w metrologii stawia duże wymagania dot. warunków eksperymentalnych: tzn. wymaga bardzo niskich temperatur (T =1,5 K) i wysokich pól magnetycznych (B>5 T). Pomimo długiego czasu od odkrycia QHE, nie udało się obniżyć tych wymagań eksperymentalnych. Zaledwie kilka lat temu zademonstrowano, że grafen może działać jako wzorzec oporności (z dokładnością kwantyzacji rzędu 10-9), przy nieco mniejszych polach magnetycznych tzn. 3,5 T [3]. Jednakże, nie tylko grafen jest materiałem, w którym można uzyskać dużą przerwę pomiędzy poziomami Landaua oraz liniową strukturę pasmową. W szczególności, w studniach kwantowych HgTe można uzyskać strukturę posiadającą bezmasowe fermiony Diraca [4]. Żeby osiągnąć precyzyjnie QHE – potrzeba dużego rozczepienia Landaua uzyskanego w jak najmniejszym polu. Muszą być osiągnięte jednocześnie dwa warunki µB>1 oraz separacja Δ większa od 100 kBT. Wiadomo, że w przypadku bezmasowych fermionów Diraca położenie n-tego poziomu Landaua jest opisane przez zależność: 𝐸𝑛 = 𝑣𝐹√2ℏ𝑛𝑒𝐵, gdzie B— pole magnetyczne w kierunku prostopadłym i 𝑣𝐹— prędkość Fermiego. Widać, że liniowa dyspersja energii w funkcji pędu z prędkością Fermiego 𝑣𝐹 prowadzi do rozczepień stanów energetycznych w polu magnetycznym (rozczepień stanów Landaua), dlatego jest bardzo ważnym parametrem. Niniejszy projekt jest projektem badań podstawowych, gdzie celem naukowym jest szczegółowe zbadanie struktury pasmowej oraz właściwości fizycznych w nowych dwuwymiarowych strukturach posiadających bezmasowe fermiony Diraca. Głównym celem tego projektu jest poszukiwanie struktur pasmowych z maksymalną prędkością Fermiego i badanie (oraz eksperymentalne poszukiwanie wysokiej) dokładności kwantyzacji oporu. Dzięki tym badaniom chcemy odpowiedzieć na podstawowe pytania naukowe: i) czy w materiałach HgCdTe można uzyskać wysoką dokładność kwantyzacji przy małym polu magnetycznym (B <1 T); ii) jakie fizyczne zmiany w strukturze pasmowej powodują naprężenia. Aktualność i nowatorstwo proponowanych badań wynika z niedawno rozwiniętej inżynierii materiałów grafenopodobnych. Jednakże, do tej pory nie były prowadzone badania dokładności kwantyzacji (oporu) w HgTe studniach kwantowych posiadających bezmasowe fermiony Diraca. Oczekujemy, że projekt będzie miał bardzo duży wpływ na rozwój dziedziny badań oraz dyscypliny naukowej, ponieważ będzie odpowiadać na pytania: i) czy w materiałach opartych na HgTe studniach kwantowych (z liniową strukturą pasmową) można osiągnąć dokładność kwantyzacji rzędu 10-9 przy małych polach magnetycznych (B<1T); ii) w jaki sposób struktura pasmowa zmienia się od naprężeń. Oczekujemy również istotnych rezultatów z punktu widzenia przyszłych zastosowań. Wierzymy, że nasze wyniki utorują drogę dla standardów oporności opartych na studniach kwantowych HgTe/CdHgTe z strukturą typu grafen. W związku z tym badania naukowe proponowane w projekcie mogą mieć istotny wpływ gospodarczy i społeczny. Również, dane otrzymane w wyniku badań będą stanowiły podstawę do napisania rozprawy doktorskiej oraz zostaną zaprezentowane na konferencjach krajowych i międzynarodowych. Wykonalność projektu jest zagwarantowana przez istotne wstępne badania autorów, które zostały uznane/opublikowane w międzynarodowych czasopismach. Dostęp do unikalnego zestawu próbek MBE HgCdTe oraz unikatowej aparatury są zapewnione w ramach Międzynarodowego Laboratorium LIA TERAMIR [5], wiążącego IWC PAN z wiodącymi laboratoriami z Montpellier, Grenoble i Nowosybirska. Pozwala to na natychmiastowe rozpoczęcie proponowanego projektu, czekając na zakończenie produkcji nowych struktur. |