在三层 HgTe/CdTe 量子阱中设计拓扑相

由 Hg$_{1-x}$Cd$_x$Te 势垒之间的 HgTe 层形成的量子阱会产生二维 (2D) 拓扑绝缘体，正如 BHZ 模型所预测的那样。在这里，我们从理论和实验上研究了三层 HgTe 量子阱的特性。我们用三维 $8\times 8$ Kane 模型描述这种异质结构，并利用其特征态推导该系统的有效 2D 哈密顿量。由此我们得到了作为阱宽和势垒宽度的函数的相图，并识别了由沿量子阱杂化的零、一、二和三组建态边缘态组成的不同拓扑相。相变的特征是自旋陈数的变化及其相应的能带反转。作为补充，我们在靠近具有一和两组建态边缘态的相之间过渡线附近的样品上实验研究了输运测量。据此，我们预测该样品具有无带隙谱，其低能体传导带由一个抛物带和一个 Dirac 带给出，且边缘态浸没在体价带中。因此，我们表明在这些条件下，由于体电导，局域和非局域输运测量不足以表征单一边缘态电导。另一方面，Shubnikov-de Haas (SdH) 振荡与我们的理论非常吻合。特别地，我们表明测量的 SdH 振荡频率与我们的模型一致，并清晰显示了抛物带和 Dirac 带共存的特征。