• Низкоразмерные электронные системы в топологически нетривиальных материалах
  
  

  Основное направление исследований – низкоразмерные электронные системы в топологически нетривиальных материалах. В рамках этого направления изучаются:
  

  • электронные системы с сильным спин-орбитальным взаимодействием и нетривиальной топологией квантовых состояний,
  • сильно коррелированные электроны, механизмы кулоновского спаривания,
  • коллективные возбуждения, спиновый и спин-зависимый транспорт,
  • локализованные состояния и связанные квантовые состояния в континууме.

• Разработана теория парного спин-орбитального взаимодействия электронов в двумерных материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Такое взаимодействие между электронами действует наряду с кулоновским отталкиванием. Оно порождается кулоновскими полями электронов, но в отличие от кулоновского отталкивания приводит к притяжению электронов для определенных конфигураций их спинов и импульсов, которое может быть даже сильнее отталкивания. В таком случае парное спин-орбитальное взаимодействие приводит к множеству нетривиальных эффектов, таких как спаривание электронов, образование необычных сильно коррелированных состояний и коллективных мод.

  Эффективный потенциал парного взаимодействия электронов, образованный кулоновским отталкиваем и притяжением за счет спин-орбитального взаимодействия.

  Публикации:
  
  • Ya.V. Gindikin and V.A. Sablikov, “Pair spin–orbit interaction in low-dimensional electron systems”, Eur. Phys. J. Special Topics 229, 503–525 (2020)
  • Y. Gindikin, V. A. Sablikov, “Spin-Dependent Electron–Electron Interaction in Rashba Materials”, ЖЭТФ, 2022, том 162, вып. 4 (10), стр. 564–569

• Создана теория связанных электронных пар, образующихся вследствие эффективного притяжения электронов, создаваемого парным спин-орбитальным взаимодействием в двумерных материалах с сильным спин-орбитальным взаимодействием. Теория разработана как для одномерных квантовых проводов, так и двумерных электронных систем, в том числе при наличии затвора, позволяющего управлять парами. Показано, что имеются связанные пары двух принципиально разных типов. Одни – релятивные – образуются за счет относительного движения электронов вокруг их общего центра масс. Движение центра масс пары принципиально не изменяет ее спиновую структуру и энергию связи. Другие – конвективные – возникают благодаря движению электронной пары как целого. Спиновая структура, закон дисперсии и энергия связи таких пар зависят от импульса центра масс. Энергия связи пар, образованных парным спин-орбитальным взаимодействием, в актуальных материалах может достигать мэВ. Под действием внешнего электрического поля перпендикулярного слою снимается вырождение связанных пар по спину и образуются два состояния. Энергия одного из них управляется затвором, а энергия другого остается неизменной. В материалах с рашбовским спин-орбитальным взаимодействием, образованным вследствие s-p гибридизации в модели Кейна, парное спин-орбитальное взаимодействием создает связанные пары при достаточно большом поле затвора, а их энергия сильно изменяется под действием затвора.

  Спиновая структура связанной пары электронов, образованной благодаря движению центра масс.

  Энергия релятивных связанных пар в зависимости от поля управляющего затвора.

  Энергия связанных пар в зависимости от поля управляющего затвора в двухзонном материале с s-p гибридизацией.

  Публикации:
  
  • Yasha Gindikin, Vladimir A. Sablikov, “Spin-orbit-driven electron pairing in two dimensions”, Phys. Rev. B 98, 115137 (2018).
  • Gindikin Y.V., Sablikov V.A., Coulomb pairing of electrons in thin films with strong spin-orbit interaction, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, vol. 108, 187–190 (2019)
  • Ya.V. Gindikin, V.V. Vigdorchik, and V.A. Sablikov, “Bound Electron Pairs Formed by the Spin–Orbit Interaction in 2D Gated Structures”, Phys. Status Solidi RRL 14, 1900600 (2020)
  • Yasha Gindikin, Igor Rozhansky, Vladimir A. Sablikov, “Electron pairs bound by the spin–orbit interaction in 2D gated Rashba materials with two-band spectrum”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, v. 146, 115551 (2023)

• Изучены кинетические свойства связанных электронных пар в случае, когда притяжение между электронами обусловлено отрицательной эффективной приведенной массой. Такая ситуация реализуется в двумерных топологических изоляторах благодаря гибридизации атомных орбиталей электронного и дырочного типов при сильном спин-орбитальном взаимодействии вследствие s-p гибридизации. Связанные электронные пары, являющиеся заряженными композитными бозонами с энергией в щели зонного спектра, могут быть носителями заряда и спина. Эффективность таких пар в транспорте определяется их кинетическими свойствами. Найдена эффективная масса и оценено время излучательного распада пар. Излучательное время жизни в актуальных материалах оказывается неожиданно большим по сравнению с характерными временами рассеяния. Эффективная масса связанной пары зависит от ее энергии в состоянии покоя, с нулевым полным импульсом. Причем вид этой зависимости оказывается достаточно общим для пар разного типа. Эффективная масса отрицательна в нижней части запрещенной зоны, а в верхней – положительна. Если зонный спектр симметричен относительно электронных и дырочных состояний, то масса обращается в ноль в середине щели.

  Эффективная масса M* электронной пары в зависимости от ее энергии покоя в щели одночастичного спектра для набора радиусов r0 электростатического потенциала парного взаимодействия.

  Публикации:
  
  • Bagun S. Shchamkhalova, Vladimir A. Sablikov, “Radiative Decay of Bound Electron Pairs into Unbound Interacting Electrons in 2D Materials with Two‐Band Spectrum” Phys. Status Solidi B, v 257, issue 12, 2000299 (2020)
  • Vladimir A. Sablikov, Bagun S. Shchamkhalova, “Effective mass of bound electron pairs in two-dimensional materials with a gapped band spectrum” Physics Letters A, Vol. 429, 127956 (2022)

• Показано, что парное спин-орбитальное взаимодействие, создаваемое кулоновскими полями взаимодействующих электронов, приводит к образованию сильных электронных корреляций с необычной структурой. Эффект проявляется в виде резкого пика структурного фактора вблизи характерного значения волнового вектора, который свидетельствует о тенденции к формированию фазы, разделенной на полосы с пространственным масштабом, определяемым конкуренцией кулоновского отталкивания и притяжения вследствие парного спин-орбитального взаимодействия. При достаточно сильном спин-орбитальном взаимодействии система становится неустойчивой по отношению к флуктуациям плотности заряда на этом масштабе, приводящим к радикальной перестройке основного состояния.

  Структурный фактор, обусловленный парным спин-орбитальным взаимодействием. Пик возникает при достаточно большой величине параметра рашбовского спин-орбитального взаимодействия.

  Публикации:
  
  • Yasha Gindikin , Vladimir A. Sablikov, “Electron correlations due to pair spin–orbit interaction in 2D electron systems”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, Vol. 143, 115328, (2022)

• Найдено возможное решение одной из центральных проблем транспорта электронов в краевых геликоидальных каналах двумерных топологических изоляторов: наблюдаемое экспериментально подавление проводимости вследствие рассеяния электронов назад с переворотом спина противоречит ожиданиям теории, что такие процессы запрещены топологией квантовых состояний. В результате проведенных исследований предложен механизм этого явления, позволяющий объяснить основные особенности подавления проводимости в эксперименте. Он основан на детальном изучении структуры электронных состояний, связанных с немагнитными дефектами при наличии спин-орбитального взаимодействия. Рассеяние назад происходит в результате электрон-электронных столкновений вблизи точечных дефектов. Сталкивающиеся в краевом канале электроны на некоторое время переходят в состояния, связанные на дефекте, спиновая структура которых сильно отличается от структуры краевых состояний из-за спин-орбитального взаимодействия. Затем в результате обратного перехода в краевой канал один из электронов продолжает движение вперед, а другой переворачивает спин и рассеивается назад. Такой механизм позволяет объяснить основные особенности подавления проводимости в эксперименте – слабую температурную зависимость этого эффекта в широком диапазоне температур и значительное отклонение проводимости от кванта e²/h .

  
  Публикации:
  
  • Vladimir A. Sablikov, “Long-range perturbation of helical edge states by nonmagnetic defects in two-dimensional topological insulators”, Phys. Rev. B 102, issue 7, 075434 (2020)
  • Vladimir A. Sablikov and Aleksei A. Sukhanov, “Conductance suppression by nonmagnetic point defects in helical edge channels of two-dimensional topological insulators”, Phys. Rev. B 103, 155424 (2021)

• Разработан эффективный механизм сильного анизотропного спин-зависимого рассеяния (skew scattering) электронов, который реализуется в топологических материалах со спектром «мексиканской шляпы». Такого вида зонная дисперсия образуется вследствие гибридизации инвертированных электронной и дырочной подзон. Проведенное исследование показало, что при такой дисперсии локализованный отталкивающий потенциал любой природы создает квазисвязанные состояния, образующиеся из-за того, что эффективная масса электронов в окрестности центрального экстремума отрицательна, а вне ее положительна. Изучение этих состояний в двумерном топологическом изоляторе показало, что при определенных условиях ширина их резонанса неограниченно уменьшается и они превращаются в связанные состояния в континууме зонных состояний. Наличие квазисвязанных состояний приводит к сильному резонансному рассеянию электронов с большой угловой асимметрией, зависящей от спина. Интересной особенностью является тот факт, что угол асимметрии рассеяния изменяется в широких пределах в зависимости от энергии электронов, что позволяет управлять потоком спина, изменяя рассеивающий потенциал. При этом в определенном диапазоне энергий появляется нетривиальный эффект полного подавления рассеяния в направлении, противоположном углу асимметрии. Величина асимметрии рассеяния, которая определяется отношением вероятностей рассеяния перпендикулярно налетающему потоку и вдоль него, имеет резкий резонанс в зависимости от энергии электронов.

  Резонанс асимметричного спин-зависимого рассеяния. Изображена зависимость отношения сечения рассеяния перпендикулярно падающему потоку к рассеянию вперед для электронов со спином ↑.

  
  Публикации:
  
  • Vladimir A. Sablikov, Aleksei A. Sukhanov, “Quasi-bound states and resonant skew scattering in two-dimensional materials with a Mexican-hat dispersion”, Physica E: Low-dimensional Systems and Nanostructures, v. 145, 115492 (2023)

• Показано, что переход между синглетным и триплетным состояниями в двухэлектронной системе, лежащий в основе популярной модели кубита, может быть осуществлен чисто электрическим воздействием и без магнитного поля в двумерном топологическом изоляторе. Такая возможность возникает в системе двух квантовых точек, между которыми имеется слабая туннельная связь. Синглет-триплетный переход осуществляется изменением потенциала квантовых точек. Механизм перестройка спиновой структуры основного состояния связан с наличием орбитальных (псевдоспиновых) степеней свободы, которые наряду со спином определяют величину обменного взаимодействия электронов, локализованных в квантовых точках.

  Диаграмма спиновых состояний в основном состоянии системы

  
  Публикации:
  
  • Vladimir A. Sablikov and Aleksei A. Sukhanov, “Singlet-triplet transition in double quantum dots in two-dimensional topological insulators”, Phys. Rev. B 98, 115423 (2018)

• Изучен анизотропный транспорт электронов в двумерных системах с перестраиваемой топологией контуров Ферми, которые сопровождаются резкими изменениями электронной структуры и транспортных свойств. Показано, что такого рода система реализуется в двумерном электронном газе с сильным спин-орбитальным взаимодействием при наличии магнитного поля, параллельного слою. В этих условиях возникает сильная анизотропия поверхности Ферми, а на поверхности энергии в пространстве импульсов образуются две седловые точки. Внешнее магнитное поле позволяет деформировать поверхность энергии, так что при его изменении уровень Ферми системы сканирует энергетическую поверхность в широком диапазоне. При определенных значениях магнитного поля, когда уровень Ферми проходит через особые точки, происходит перестройка топологии контуров Ферми, приводящая к резким изменениям транспортных характеристик – компонент тензоров проводимости и неравновесной спиновой поляризации, возникающей вследствие эффекта Эдельштейна. Основными особенностями спектра являются седла, создающие сингулярность Ван Хова плотности состояний, и донья спиновых подзон. Наиболее сильный эффект связан с седлами. Вблизи них диагональные компоненты проводимости резко падают, почти до нуля. Положение этих особенностей зависит от констант спин-орбитального взаимодействия и управляется магнитным полем. Анализ этих особенностей в экспериментально измеренных зависимостях проводимости от магнитного поля или уровня Ферми при двух ориентациях магнитного поля позволяет определить обе константы спин-орбитального взаимодействия и g-фактор и, в частности, идентифицировать состояние устойчивой спиновой спирали.

  Поверхность энергии электрона в импульсном пространстве.

  
  Публикации:
  
  • Vladimir A. Sablikov and Yurii Ya. Tkach, “Van Hove scenario of anisotropic transport in a two-dimensional spin-orbit coupled electron gas in an in-plane magnetic field”, Phys. Rev. B 99, issue 3, 035436 (2019)
  • Yurii Ya Tkach “Determination of the Rashba and Dresselhaus Spin–Orbit Interaction Parameters and g‐Factor from the Critical Points of the Spectrum in a 2D Electron Gas in an In‐Plane Magnetic Field” Phys. Status Solidi B 2021, 2000553
  • Yu. Ya. Tkach, «Specific features of the conductivity and spin susceptibility tensors of a two-dimensional electron gas with Rashba and Dresselhaus spin-orbit interactions» Phys. Rev. B 104, 085413 (2021)
  • Yu. Ya. Tkach, “Identification of a state of persistent spin helix in a parallel magnetic field, and exploration of its transport properties”, Phys. Rev. B 105, 165409 (2022)

• Изучена динамика электронной плотности в одномерном квантовом проводе с сильным спин-орбитальным взаимодействием в условиях, когда нарушается спин-зарядовое разделение, а спиновые и зарядовые степени свободы смешиваются в коллективных возбуждениях двух типов. Обе смешанные моды несут электрический заряд и поэтому связанные с ними отклики вносят вклад в динамическую проводимость. Это открывает возможность исследовать обе моды по измерениям проводимости. Исследование динамической проводимости одномерной электронной системы со спин-орбитальным взаимодействием, индуцированным потенциалом зарядов изображения, показало, что действительная и мнимая части полной проводимости в зависимости от частоты демонстрирует двухпериодное колебательное поведение, которое отражает резонансы коллективного возбуждения для обеих мод на соответствующих пролетных частотах. Анализируя частотную зависимость адмитанса, можно найти скорости мод и количественно определить их спин-зарядовую структуру.

  
  Публикации:
  
  • Yasha Gindikin, Vladimir A. Sablikov, «Dynamics of one-dimensional electrons with broken spin-charge separation», Phys. Status Solidi RRL v.12, No 1, 1700313 (2018)

Выполняемые гранты РФФИ:
Проект РФФИ № 17-02-00309 а «Электронные состояния и коллективные эффекты в квантовых наноструктурах с сильным спин-орбитальным взаимодействием»
Проект РФФИ 20-02-00126 а «Коррелированные состояния электронов и коллективные возбуждения в низкоразмерных системах с сильным спин-орбитальным взаимодействием»

Информациа о лаборатории доступна также на сайте Фрязинского филиала ИРЭ им. В.А.Котельникова РАН