HgTeCdTeQuantenwellen

HgTeCdTeQuantenwellen bezeichnen Halbleiter-Heterostrukturen, in denen eine dünne HgTe-Schicht zwischen CdTe-Barrieren eingebettet ist. Typischerweise werden sie auf CdTe-Substraten durch Molekularstrahlepitaxie (MBE) gewachsen. Die Struktur ermöglicht eine chemisch kontrollierte Randbedingung für Elektronen in zwei Dimensionen und dient als Spielwiese für die Quantenkonfinierung von Elektronenzuständen.

In CdTe normal geordnete Bandstrukturen, während HgTe eine invertierte Bandordnung besitzt. Wenn die HgTe-Wellendicke unter einem kritischen Wert liegt, verhält sich das System wie ein normaler isolator. Überschreitet die Wellendicke dieses kritische Limit (ungefähr nur wenige Nanometer), kehrt sich die Bandordnung um und das HgTe/CdTe-Quantenwellensystem bildet einen zweidimensionalen Topologischen Isolator (2D TI). Das Modell, das diese Phase beschreibt, wird oft als BHZ-Modell (Bernevig-Hughes-Zhang) bezeichnet. Die Bandlücken und der Übergang hängen von der Wellendicke sowie von Streckung bzw. Temperatur ab.

In der inverteden Phase treten am Rand des Probenquerschnitts robuste helical edge states auf, die Elektronen mit gegenspinigen Richtungen leiten und nahezu ohne Dissipation transportieren können. Dieses Verhalten führt zu merkbaren Effekten wie dem Quanten-Hallschen Spin-Verbund (Quantum Spin Hall Effect) und einer Leitfähigkeit, die durch die Kantenkanäle bestimmt ist. Die edge states sind zeitumkehrungssymmetrie-geschützt und relativ unempfindlich gegenüber moderatem Disorder.

Historisch spielte die HgTe/CdTe-Quantenwellenkonstruktion eine zentrale Rolle bei der experimentellen Bestätigung des 2D-TI-Konzepts; 2007 demonstrierten König und Koautoren das QSH-Phänomen in solchen Strukturen. Anwendungen liegen in der Spintronik und in der Erforschung stabiler, energiesparender Transportkanäle, wobei die präzise Steuerung der Wellendicke zentral bleibt.