三维拓扑绝缘体 HgTe 中的量子霍尔效应与朗道能级

我们综述 80 nm 厚应变 HgTe(属强三维拓扑绝缘体一类材料)中的低场与高场磁输运。利用顶栅可将费米能级从价带经狄拉克表面态调至导带，从而可在不同种类载流子共同贡献磁输运的情形下研究朗道量子化。映射整个磁场-栅压范围内电导率 $\sigma_{xx}(V_g, B)$ 的朗道扇图，可依参与载流子物种的状态划分为六个区域。关键发现为：(i) 体空穴(自旋简并)与狄拉克表面电子(非简并)在 $E_F$ 处于价带时共存，导致奇与偶填充因子以及因而奇与偶量子化霍尔电压值之间的周期性切换。(ii) 对共存的狄拉克表面与导带电子，我们发现了类似但不那么显著的行为。(iii) 在体带隙中，顶表面量子化的狄拉克电子在较低 B 下与底侧未量子化者共存，致使量子霍尔平台值——对给定填充因子——依赖于磁场强度。在较强 $B$ 场中，朗道能级分离增大，不同载流子物种间电荷转移在能量上变得有利，并导致全局(即涉及顶与底表面)量子霍尔态的形成。采用最简理论方案的模拟与基本实验发现一致，正确描述了我们多组分载流子系统各区域中从经典到量子输运转变的核心特征。