ИСТИНА

Физика неэрмитовых систем является предметом интенсивных теоретических и экспериментальных исследований в последнее время. Неэрмитовы системы не являются замкнутыми, поскольку они характеризуются наличием потока энергии через систему. Это приводит к возможности появления целого ряда эффектов, к которым, в частности, относится PT (parity-time)-симметрия. Неэрмитовы гамильтонианы, обладающие PT-симметрией, т.е. инвариантностью относительно одновременного действия операторов зеркальной симметрии и обращения времени, могут обладать действительными значениями энергии. Большинство экспериментов по РТ-симметрии связано с оптическими свойствами материалов. Работы по проявлениям РТ-симметрии в фотоэлектрических характеристиках нам неизвестны. Один из интересных аспектов в физике неэрмитовых систем связан с топологическими явлениями в оптике. Этот интерес вырос из другой горячей темы в физике твердого тела - исследования топологических изоляторов. В трехмерных топологических изоляторах (ТИ) сильное спин-орбитальное взаимодействие приводит к инверсии энергетических уровней, соответствующих зоне проводимости и валентной зоне в объеме полупроводника. Как следствие, на поверхности 3D ТИ с необходимостью появляются двумерные топологические электронные состояния. Эти состояния характеризуются дираковским спектром с нулевой эффективной массой. Кроме того, направление спина электрона оказывается фиксированным перпендикулярно к его квазиимпульсу в плоскости поверхности, что препятствует рассеянию электронов назад, по крайней мере, в теории. Два упомянутых выше обстоятельства делают очень привлекательной идею использования электронного транспорта по топологическим поверхностным электронным состояниям в электронных устройствах. Полупроводниковые твердые растворы Hg1-xCdxTe представляют собой необычный случай реализации топологической фазы. Во-первых, спин-орбитальное взаимодействие уменьшается с увеличением содержания CdTe x в сплаве. Поэтому энергетический спектр электронов инвертирован и соответствует топологическому состоянию при х <0,16, а при х> 0,16 спектр является прямым, и формируется тривиальная фаза. Следовательно, можно осуществить переход между топологической и тривиальной фазами при изменении состава сплава. Кроме того, современныеметоды эпитаксиального роста позволяют синтезировать пленки Hg1-xCdxTe с малой концентрацией свободных носителей ~ 10^(14) см^(-3), что дает возможность измерять фотопроводимость на фоне этой довольно низкой равновесной концентрации. Настоящий проект направлен на изучение эффектов нарушения симметрии, возникающих в материалах с топологически нетривиальными фазами при комбинированном воздействии терагерцового излучения и магнитного поля. В рамках проекта основное внимание будет уделено исследованиям фотопроводимости в эпитаксиальных гетероструктурах на основе Hg1-xCdxTe. Подобные исследования будут проведены и для других топологически нетривиальных материалов различного типа. Указанные выше задачи сформулированы с учетом полученных нами предварительных экспериментальных данных, которые показали, что в пленках на основе Hg1-xCdxTe с инверсной структурой зон сигнал фотопроводимости оказывается асимметричным по магнитному полю. Данную ситуацию можно рассматривать как нарушение Т-симметрии. Эффект является совершенно необычным для материалов, в которых отсутствует встроенный магнитный момент. Кроме того, фотопроводимость оказывается несимметричной для двух зеркально расположенных пар потенциальных контактов, что можно трактовать как нарушение Р-симметрии. В то же время фотоотклик не изменяется при одновременной инверсии магнитного поля и замене пары потенциальных контактов на зеркально расположенную, демонстрируя PT-инвариантность. Важно подчеркнуть, что вышеуказанные эффекты нарушения симметрии наблюдаются только в неравновесной ситуации. Равновесные характеристики, такие как магнитосопротивление, симметричны по магнитному полю и не отличаются для зеркальных пар потенциальных контактов. Одной из важных задач проекта является объяснение эффекта РТ-симметрии, индуцированного терагерцовым излучением и магнитным полем в топологической фазе твердых растворов Hg1-xCdxTe. Кроме того, предлагается выяснить, наблюдаются ли эффекты РТ-симметрии фотопроводимости в других гетероструктурах на основе топологически нетривиальных фаз материалов.

The physics of non-Hermitian systems continues to be the focus of intense theoretical and experimental research in recent years [1]. Non-Hermitian systems are not closed, since they are characterized by the presence of an energy flow through the system. This leads to the possibility of the appearance of a number of effects, to which, in particular, PT (parity-time) symmetry belongs.

Вставка будет помещаться в криостат со сверхпроводящим магнитом, и будут исследоваться зависимости фотопроводимости от магнитного поля различной полярности и абсолютной величины. Измерения будут проводиться для гетероструктур на основе как топологической, так и тривиальной фазы пленок Hg1-xCdxTe. Кроме того, измерения будут проводиться для различных геометрий эксперимента: геометрии традиционного холловского мостика, а также геометрии измерений нелокальной проводимости. Второй год выполнения проекта будет направлен на попытки выяснения природы эффекта РТ-симметричной фотопроводимости с использованием описанной выше установки. Для этого предполагается перемещать криостат со вставкой как целое. В настоящий момент у нас есть три рабочих гипотезы. Первая из гипотез связана с тем, что упомянутый выше внешний фактор является следствием присутствия потока излучения пока невыясненной природы через образец. Использовавшаяся установка с мощным терагерцовым лазером не могла быть ориентирована каким-либо иным образом, чем существующая конфигурация. Установка, которая будет использоваться, обладает возможностью менять свое расположение. Вторая гипотеза связана с тем, что пленка могла деформироваться, например, под действием гравитации. Наконец, третья гипотеза связана с возможностью непосредственного взаимодействия электронной системы образца с гравитацией. Описанные выше гипотезы являются рабочими и, на первый взгляд, представляются маловероятными. Однако, по нашему мнению, они достойны экспериментальной проверки, которая и будет произведена в рамках настоящего проекта. Отметим, что в рамках наших предварительных экспериментов были намеки на то, что такие возможности могут реализовываться.

В рамках Проекта 2019 было обнаружено крайне необычное, ранее не наблюдавшееся явление РТ-симметричной терагерцовой фотопроводимости в гетероструктурах на основе толстых пленок Hg1-xCdxTe, находящихся в фазе топологического изолятора. Суть эффекта заключается в следующем. Было обнаружено, что в гетероструктурах на основе толстых пленок Hg1-xCdxTe, находящихся в фазе топологического изолятора под действием импульсов терагерцового излучения наблюдается положительная фотопроводимость. При приложении магнитного поля в геометрии Фарадея, т.е. в ситуации, когда поток излучения и магнитное поле направлены перпендикулярно плоскости холловского мостика, фотопроводимость не является четной функцией магнитного поля, т.е. она значительно различается для противоположных направлений поля, что можно трактовать как нарушение Т-симметрии. Кроме того, при одинаковом направлении поля фотопроводимость сильно различается для двух симметрично расположенных пар потенциальных контактов на противоположных сторонах холловского мостика, что можно трактовать как нарушение Р-симметрии фотопроводимости. В то же время при одновременном изменении пары потенциальных контактов и направления магнитного поля фотопроводимость не изменяется, что можно трактовать как сохранение РТ-симметрии в данном эффекте. Важно подчеркнуть, что вышеуказанные эффекты нарушения симметрии наблюдаются только в неравновесной ситуации. Равновесные характеристики, такие как магнитосопротивление, симметричны по магнитному полю и не отличаются для зеркальных пар потенциальных контактов.