[論文レビュー] Artificial Gauge Field and Quantum Spin Hall States in a Conventional Two-dimensional Electron Gas

Likun Shi, Wenkai Lou+4 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2015

Topological Materials and Phenomena参考文献 62被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、アンチドット格子とスピン軌道結合を用いて、従来のGaAs/InGaAs/GaAs二次元電子系（2DEG）において位相的量子スピンホール状態を誘導する手法を提案する。周期的なエッチングによりバンド反転を工学的に制御することで、大きな非自明な準位ギャップ（約20 meV）と多数の頑健なヘリカルエッジ状態を実現し、重金属元素を用いずに液体窒素温度での位相的秩序を実現可能にする。

ABSTRACT

Based on the Born-Oppemheimer approximation, we divide total electron Hamiltonian in a spinorbit coupled system into slow orbital motion and fast interband transition process. We find that the fast motion induces a gauge field on slow orbital motion, perpendicular to electron momentum, inducing a topological phase. From this general designing principle, we present a theory for generating artificial gauge field and topological phase in a conventional two-dimensional electron gas embedded in parabolically graded GaAs/In$_{x}$Ga$_{1-x}$As/GaAs quantum wells with antidot lattices. By tuning the etching depth and period of antidot lattices, the band folding caused by superimposed potential leads to formation of minibands and band inversions between the neighboring subbands. The intersubband spin-orbit interaction opens considerably large nontrivial minigaps and leads to many pairs of helical edge states in these gaps.

研究の動機と目的

• 重金属元素を用いずに、従来の半導体2DEGで位相的絶縁体相を実証すること。
• GaAs/InGaAs/GaAsヘテロ構造で大きな非自明なギャップ（約20 meV）を達成すること。
• アンチドット格子によるバンド反転を介して、頑健なヘリカルエッジ状態を実現すること。
• 標準的な半導体プロセスを用いたスケーラブルで実験的に実現可能な、位相的量子状態への道筋を提供すること。

提案手法

• 高速な帯間スピンダイナミクスと遅い軌道運動を分離するためにBorn-Oppenheimer近似を用いる。
• 帯間結合が運動量空間のゲージポテンシャルAnを生成することを導出する有効ハミルトニアンを構築する。
• 周期的アンチドット格子ポテンシャル内でのRashbaおよびDresselhausスピン軌道結合を持つ2DEGとしてシステムをモデル化する。
• アンチドット格子のエッチング深さと周期を調整することで、バンド折り畳み込みと準位の反転を工学的に制御する。
• 運動量空間のゲージ場強度Fxy,nを用いて、チーン数と位相遷移を計算する。
• バンド反転が非自明な準位ギャップとヘリカルエッジ状態をもたらすことを示す。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 重金属元素を用いずに、従来のGaAs/InGaAs 2DEGで位相的絶縁体相を誘発できるか？
• RQ2 スピン軌道結合を有する2DEGで、帯間ダイナミクスから人工ゲージ場がどのように発生するか？
• RQ3 アンチドット格子の周期性とエッチング深さがバンド反転を誘導する上で果たす役割は何か？
• RQ4 このようなシステムで大きな非自明なギャップ（約20 meV）を達成できるか、液体窒素温度での動作が可能か？
• RQ5 バンド反転の存在下でも、ヘリカルエッジ状態がどのようにして生成され、頑健性を保つのか？

主な発見

• アンチドット格子で改変された2DEGで、約20 meVの大きな非自明な準位ギャップが達成され、液体窒素温度での動作が可能になる。
• アンチドット格子の周期的ポテンシャルの重ね合わせにより、隣接する準位間のバンド反転が誘起される。
• 帯間スピン軌道結合が、準位ギャップ内に複数の頑健なヘリカルエッジ状態を生成する。
• バンド反転パラメータMの符号反転に伴いチーン数が1変化し、位相遷移の確認がなされる。
• 有効ゲージポテンシャルAnが運動量空間のローレンツ力を引き起こし、非自明な位相的相を生成する。
• 本システムは、s軌道型バンド系における位相的絶縁体相を実現し、従来の2DEGで初めての報告である。