Instytut Wysokich Ciśnień

Projekt pt. „Terahertz Sensor Based on Topological Materials” w Programie TEAM, będącym Projektem grantowym Fundacji na rzecz Nauki Polskiej.

Kwota projektu TEAM/2016-3/25: 3 498 988 zł.

Tytuł projektu w jęz. polskim Czujniki terahercowe oparte o materiały topologiczne

• Cel projektu

Głównym celem projektu jest stworzenie w Polsce w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk wybitnej grupy naukowej, która będzie eksplorować wysoko częstotliwościowe (terahercowe) fizyczne właściwości oraz zastosowania topologicznych izolatorów dla terahercowych czujników.

• Innowacyjność projektu

Aby uzyskać takie przyrządy projekt proponuje badania innowacyjnych struktur półprzewodnikowych (HgTe/HgCdTe oraz GaSb/InAs), aby pokonać istniejące obecnie problemy: i) uzyskanie topologicznych stanów materii w podwyższonych temperaturach (aż do 300 K tzn. temperatury pokojowej) ii) umożliwienie szybkiego elektrycznego przełączania (on/off) iii) użycie studni kwantowych GaSb/InAs (topologicznych struktur), które mogą zostać wykonane przy pomocy standardowego processingu półprzewodnikowego.

• Co w jego ramach ma zostać osiągnięte/stworzone – jakie zastosowania mogą mieć wyniki projektu i w jakich dziedzinach naszego codziennego życia te wyniki mogą znaleźć zastosowanie
  (np. badania przyczynią się do wygenerowania nowych leków, usprawnią procesy produkcyjne w przemyśle itp.)

Pomimo wielu lat od odkrycia topologicznych materiałów, istnieją podstawowe problemy uniemożliwiające ich realne aplikacje. Głównymi problemami są i) że stany topologiczne materii są obserwowane obecnie jedynie w temperaturach kriogenicznych (poniżej 10 K) ii) nie istnieją struktury/mechanizmy umożliwiające szybkie przełączanie (on/off) pomiędzy topologicznymi stanami materii iii) większości dotychczasowych odkryć dokonano na półprzewodnikach HgTe/CdTe, w których nie jest możliwy standardowy wysokotemperaturowy processing. Generalnym celem tego projektu są badania nowych dwuwymiarowych struktur posiadających fazę topologicznego izolatora oraz przezwyciężenie istniejących problemów eksperymentalnych wymienionych powyżej. Te nowe topologiczne izolatory zostaną uzyskane poprzez specjalny układ studni kwantowych z materiałów półprzewodnikowych III-V . Będziemy poszukiwać eksperymentalnie najlepszego topologicznego izolatora poprzez wzrastanie różnych struktur epitaksjalnych oraz poprzez dostrajanie energii przerwy zabronionej za pomocą ciśnienia hydrostatycznego. W szczególności skoncentrujemy się na badaniach ewolucji podstawowych właściwości fizycznych pod ciśnieniem hydrostatycznym, ponieważ to pozwala na przyśpieszenie badań w kierunku znalezienia najlepszych parametrów (energii przerwy zabronionej, struktury pasmowej oraz czas relaksacji pędu, oraz absorpcji fononu i współczynników emisji) w różnych topologicznych fazach bez konieczności używania bardzo czasochłonnych i kosztownych wielokrotnych powtórzeń wzrostów struktur epitaksjalnych. Będziemy używać „optycznego” wzbudzania w terahercowym zakresie spektralnym, jako podstawowego narzędzia badawczego. Pomiary przejść pomiędzy stanami Landauskimi leżącymi w terahercowym zakresie oraz THz fotoprzewodnictwa będą użyte, jako narzędzie do badań ewolucji struktury pasmowej. Niezależnie, będą robione badania nowych THz oscylacji/niestabilności plazmy w różnych topologicznych fazach izolatora topologicznego.  Dzięki tym badaniom chcemy odpowiedzieć na pytania o uniwersalność fizycznego modelu dwuwymiarowego modelu oraz mechanizmu łamania topologicznej ochrony. Zamierzamy również odpowiedzieć jak specyficzne topologiczne stany oraz fermiony Diraca (z liniową dyspersją) w topologicznym izolatorze mogą modyfikować/wpływać na THz oscylacje plazmy oraz niestabilności plazmy niedawno odkryte w strukturach dwuwymiarowych. Zebranie odpowiedzi na wymienione powyżej pytania zapewnią fundament dla realizacji wysokoczęstotliwościowych przyrządów opartych na topologicznych materiałach. Aby uzyskać takie przyrządy projekt proponuje badania innowacyjnych HgTe/HgCdTe oraz GaSb/InAs struktur, w celu pokonania istniejących obecnie problemów czyli: i) uzyskania topologicznych stanów materii w podwyższonych temperaturach (aż do 300 K tzn. temperatury pokojowej) ii) umożliwienie szybkiego elektrycznego przełączania (on/off) iii) eksperymentalne eksploatowanie studni kwantowych GaSb/InAs (topologicznych struktur), które mogą zostać wykonane przy pomocy standardowego processingu półprzewodnikowego.

Wstępne badania pokazują ważność, wykonalność oraz metodologię już rozpoczętą w ramach międzynarodowego Polsko/Francusko/Rosyjskiego laboratorium LIA-TERAMIR. Wykonalność celów projektu jest już dobrze udokumentowana w wielu publikacjach w najbardziej renomowanych publikacjach lidera projektu. Laboratorium LIA-TERAMIR, w niniejszym projekcie, będzie też służyło, jako główna rama międzynarodowej współpracy dostarczając unikalnej jakości struktur, materiałów i technologii próbek z Francji i Rosji. Równocześnie projekt wzmocni potencjał badawczy w Polsce, w Instytucie Wysokich Ciśnień Polskiej Akademii Nauk, poprzez budowanie za pomocą światowej klasy leaderów grupy naukowej w Polsce (TERA-TEAM), która przez silną współpracę naukową oraz realizację badań podstawowych na topologicznych strukturach, zbada ich możliwości aplikacyjne jako czujników THz.

Jako przykłady innych potencjalnych aplikacji można podać zastosowania w oszczędności energii wynikające z faktu  że topologiczne materiały są najlepsze dla produkcji termoelektryczności jak również do niskoenergetycznych systemów obliczeniowych ( komputery spintroniczne).

Poniżej przykład obliczeń teoretycznych dla studni kwantowych HgTe/CdHgTe oraz ciśnieniowy diagram fazowy dla takich struktur.

Rysunek 1. Typowa struktura pasmowa studni kwantowej (001) HgTe (QW) w temperaturze 0K oraz dla różnych szerokości QW: (a) faza BI (faza izolatora pasmowego), d< d_c, (b) stożek Diraca, d = d_c, (c) faza TI (faza izolatora topologicznego) d >d_c, (d) faza SM (faza półmetalu), d > d_SM. Podpasmo elektronowe E₁ jest pokazane niebieską linią, a linie czerwone odpowiadają podpasmom ciężkodziurowemu. Ostatni panel (e) z prawej pokazuje ciśnieniowy diagram fazowy dla pojedynczej studni kwantowej HgTe. Zacieniowany obszar odpowiada fazie półmetalu SM. Szary obszar odpowiada stanom TI dla dwóch temperatur 0K oraz 100K.