[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一种方法，通过使用 antidot 晶格和自旋轨道耦合，在传统的 GaAs/InGaAs/GaAs 二维电子气（2DEG）中诱导出拓扑量子自旋霍尔相。通过周期性刻蚀实现能带反转，该系统实现了较大的非平凡能隙（~20 meV）和多对稳定的螺旋边缘态，使得在不使用重元素的情况下，可在液氮温度下实现拓扑序。

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.

研究动机与目标

• 证明在不使用重元素的传统半导体 2DEG 中实现拓扑绝缘体相。
• 在 GaAs/InGaAs/GaAs 异质结构中实现较大的非平凡能隙（~20 meV）。
• 通过 antidot 晶格诱导的能带反转实现稳定的螺旋边缘态。
• 提供一种可扩展、实验上可行的路径，用于在标准半导体制造工艺下实现拓扑量子态。

提出的方法

• 使用 Born-Oppenheimer 近似将快速的带间自旋动力学与慢速的轨道运动分离。
• 推导出有效哈密顿量，其中带间耦合产生动量空间规范势 An。
• 将系统建模为具有 Rashba 和 Dresselhaus 自旋轨道耦合的 2DEG，处于周期性 antidot 晶格势场中。
• 通过调节 antidot 晶格的刻蚀深度和周期，实现能带折叠和亚带反转。
• 通过动量空间规范场强度 Fxy,n 计算陈数和拓扑相变。
• 证明能带反转可导致非平凡能隙和螺旋边缘态。

实验结果

研究问题

• RQ1 能否在不使用重元素的传统 GaAs/InGaAs 2DEG 中诱导出拓扑绝缘体相？
• RQ2 在具有自旋轨道耦合的 2DEG 中，带间动力学如何产生人工规范场？
• RQ3 antidot 晶格的周期性和刻蚀深度在诱导能带反转中起什么作用？
• RQ4 能否在该系统中实现较大的非平凡能隙（~20 meV），以实现液氮温度下的运行？
• RQ5 螺旋边缘态如何在能带反转存在的情况下出现并保持鲁棒性？

主要发现

• 在 antidot 晶格修饰的 2DEG 中实现了约 20 meV 的大非平凡能隙，使系统可在液氮温度下运行。
• 通过叠加的、可调深度和周期的 antidot 晶格周期势，诱导了相邻亚带之间的能带反转。
• 带间自旋轨道耦合在能隙内产生了多对稳定的螺旋边缘态。
• 当能带反转参数 M 的符号反转时，陈数变化 1，证实了拓扑相变的发生。
• 有效规范势 An 诱导出动量空间洛伦兹力，导致非平凡拓扑相。
• 该系统在 s 通道系统中实现了拓扑绝缘体相，这是在传统 2DEG 中的首次实现。