Spin splitting of surface states in HgTe quantum wells

• Published in: Физика низких температур
• Date: 2019
• Main Authors: Dobretsova, A.A., Kvon, Z.D., Krishtopenko, S.S., Mikhailov, N.N., Dvoretsky, S.A.
• Format: Article
• Language: Russian
• Published: Фізико-технічний інститут низьких температур ім. Б.І. Вєркіна НАН України 2019
• Subjects: Спеціальний випуск. «XXII Уральська міжнародна зимова школа з фізики напівпровідників» (20–23 лютого, 2018)
• Online Access: https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/175794
• Journal Title: Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
• Cite this: Spin splitting of surface states in HgTe quantum wells / A.A. Dobretsova, Z.D. Kvon, S.S. Krishtopenko, N.N. Mikhailov, S.A. Dvoretsky // Физика низких температур. — 2019. — Т. 45, № 2. — С. 185-191. — Бібліогр.: 34 назв. — рос.

We report on beating appearance in Shubnikov–de Haas oscillations in conduction band of 18–22 nm HgTe quantum wells under applied top-gate voltage. Analysis of the beatings reveals two electron concentrations at the Fermi level arising due to Rashba-like spin splitting of the first conduction subband H₁. The difference ΔNs in two concentrations as a function of the gate voltage is qualitatively explained by a proposed toy electrostatic model involving the surface states localized at quantum well interfaces. Experimental values of ΔNs are also in a good quantitative agreement with self-consistent calculations of Poisson and Schrödinger equations with eightband k p⋅ Hamiltonian. Our results clearly demonstrate that the large spin splitting of the first conduction subband is caused by surface nature of H₁ states hybridized with the heavy-hole band. Виявлено появу биття в осциляціях Шубнікова–де Гааза в зоні провідності HgTe квантової ями завтовшки 18–22 нм при прикладенні верхньої затворної напруги. Аналіз биття вказує на два типи електронів з різними концентраціями на рівні Фермі, що виникають внаслідок рашба-подібного спінового розщеплення першої підзони провідності H₁. Різниця двох концентрацій ΔNs як функція затворної напруги якісно пояснюється запропонованою спрощеною електростатичною моделлю поверхневих станів, локалізованих на гетерограниці квантових ям. Експериментальні значення ΔNs також знаходяться в хорошій кількісній згоді з самоузгодженими розрахунками рівнянь Пуассона та Шредінгера для восьмизонного k · p гамільтоніана. Отримані результати наочно демонструють, що велике спінове розщеплення першої підзони провідності обумовлено поверхневою природою станів H₁, гібридизованих із зоною важких дірок. Обнаружено появление биений в осцилляциях Шубникова–де Гааза в зоне проводимости HgTe квантовой ямы толщиной 18–22 нм при приложении верхнего затворного напряжения. Анализ биений указывает на два типа электронов с различными концентрациями на уровне Ферми, возникающих вследствие рашба-подобного спинового расщепления первой подзоны проводимости H₁. Разность двух концентраций ΔNs как функция затворного напряжения качественно объясняется предложенной упрощенной электростатической моделью поверхностных состояний, локализованных на гетерограницах квантовых ям. Экспериментальные значения ΔNs также находятся в хорошем количественном согласии с самосогласованными расчетами уравнений Пуассона и Шредингера для восьмизонного k · p гамильтониана. Полученные результаты наглядно демонстрируют, что большое спиновое расщепление первой подзоны проводимости обусловлено поверхностной природой состояний H₁, гибридизованных с зоной тяжелых дырок