Зонный спектр квантовых ям HgCdTe: эффекты «понижения» симметрии / Гавриленко В.И., Бовкун Л.С., Иконников А.В., Алешкин В.Я., Спирин К.Е., Маремьянин К.В., Михайлов Н.Н., Дворецкий С.А., Potemski M., Piot B., M. Orlita

Методом спектроскопии уровней Ландау исследована зонная структура квантовых ям (КЯ) HgTe/HgCdTe с нормальным и инвертированным спектром и выявлены проявления механизмов «понижения» симметрии: анизотропии химических связей на интерфейсах (Interface Inversion Asymmetry, IIA), отсутствие симметрии инверсии в кристаллической решетке (Bulk Inversion Asymmtry, BIA) и встроенного электрического поля в структурах с односторонним селективным легированием барьеров (Structure Inversion Asymmetry, SIA). Методом фурье-спектроскопии исследованы спектры магнитопоглощения и фарадеевского вращения в магнитных полях до 11 Тл. Исследование спектров фарадеевского вращения дает возможность определять знак резонансной круговой поляризации переходов между уровнями Ландау носителей, что позволило идентифицировать наблюдаемые внутризонные и межзонные переходы в дальнем и среднем инфракрасном диапазонах [1]. Обнаружено, что широко используемая для описания топологических материалов на основе HgTe аксиально-симметричная 8-зонная модель Кейна не полностью описывает наблюдаемую картину внутризонных и межзонных переходов, а именно: антипересечения уровней Ландау и появление переходов, запрещенных в электродипольном приближении в рамках этой модели. Достаточно хорошее согласие с экспериментом достигается при расширении стандартной модели при учете эффектов IIA и BIA. Учет этих факторов нарушает аксиальную симметрию и существенно модифицирует спектр прежде всего валентной зоны. [2] Исследованы спектры циклотронного резонанса (ЦР) электронов в классических и квантующих магнитных полях в асимметричных гетероструктурах с квантовыми ямами HgCdTe/CdHgTe с селективным легированием барьеров с большой концентрацией носителей (ns > 2*1012 см-2). Выполнены самосогласованные расчеты энергетических спектров и уровней Ландау в рамках 8- зонной модели Кейна в приближении Хартри. В слабых полях обнаружено сильное расщепление линии циклотронного резонанса (~ 10%), связанное с гигантским (до 30 мэВ) расщеплением Рашбы на уровне Ферми в образцах как с инвертированной, так и впервые с нормальной зонной структурой. Показано, что в обоих случаях большая величина расщепления обусловлена присутствием в волновых функциях состояний нижней подзоны зоны проводимости значительной доли (от 50% и более) ”дырочных“ волновых функций (p-типа). Эволюция линий поглощения с магнитным полем прослежена вплоть по 34 Тл, когда магнитное квантование уже превалирует над расщеплением Рашбы. [3]

Zeeman splitting of electron spectrum in HgTe quantum wells near the Dirac point

The Zeeman splitting of the conduction band in the HgTe quantum wells both with normal and inverted spectrum has been studied experimentally in a wide electron density range. The simultaneous analysis of the Shubnikov–de Haas oscillations in low magnetic fields at different tilt angles and of the shape of the oscillations in moderate magnetic fields gives a possibility to find the ratio of the Zeeman splitting to the orbital one and anisotropy of g -factor. It is shown that the ratios of the Zeeman splitting to the orbital one are close to each other for both types of structures, with a normal and inverted spectrum and they are close enough to the values calculated within kP method. In contrast, the values of g -factor anisotropy in the structures with normal and inverted spectra are strongly different and for both cases differ significantly from the calculated ones. We assume that such disagreement with calculations is a result of the interface inversion asymmetry in the HgTe quantum well, which is not taken into account in the kP calculations.