kvanttispinHallilmiöissä

Kvanttispin Hall -ilmiöt (QSHE) är 2D-topologisen insulatorin ilmiö, jossa bulk on sähköisesti eristäytynyt ja reunat muodostavat johtavan kanavan. Reuna-tilat ovat spiinipolarisoituneita ja kulkevat vastakkaisiin suuntiin kussakin reunassa, mikä on helicaalimito sekä suojaa takaisinheilahtumiselta. Tämä suojautuminen perustuu aikareversiymmetriaan (time-reversal symmetry) ja pitää reuna-tilat johtavina vielä kilpailijoiden, kuten epäpuhtauksien, vaikutuksesta.

Ilmiö syntyy vahvan spin-orbit-kytkennän ja bandin kääntymisen ansiosta, jolloin järjestelmä saa topologisen luonteen. 2D QSHE:t luokitellaan Z2-topologisiksi insulatoriksi, jonka reunalla esiintyy ei-magneettisesti suojattuja, dispersioreunaverkkoja. Teoreettinen perusta tarjoaa Bernevig-Hughes-Zhangin (BHZ) malli, joka kuvasi QSHE:n 2D-tilana HgTe/CdTe-kvanttipinnoissa.

Käytännön toteutuksia on löytynyt HgTe/CdTe-kvanttipiireistä, joissa QSHE-ilmiö havaittiin vuonna 2007 Königin ja kollegoiden toimesta. Myöhemmin on osoitettu QSHE InAs/GaSb-heterostruktioissa sekä muissa materiaaleissa, kuten 2D:na monolayer- tai 1T'-WTe2:n kaltaisissa järjestelmissä. Tyypillinen kokeellinen signatuuri on kvantisoitunut kokonaisjohtavuus noin 2e^2/h kahden reunaparin kautta sekä epämuutoksia kestävä, osittain ei-localisoitu kuljetus.

QSHEa pidetään tärkeänä osana todennäköisiä topologisten insulatorien luokkia, ja sillä on lupa potentiaalisiin sovelluksiin mataladoiseen dissipaation elektronisissa laitteissa sekä spintronniikassa. Siihen liittyvä tutkimus kartoittaa materiaalivalikoiman sekä uudenlaisia tapausesimerkkejä, joissa aikareversiasymmetria ja spin-orbit-kytkentä ratkaisevat kuljetuksen luonteen.