ИСТИНА

Работа посвящена исследованию физических принципов построения приборов фотоники дальнего ИК диапазона (соответствующего терагерцовым частотам) на основе принципиально новых материалов – топологических изоляторов (ТИ), характеризующихся наличием устойчивых (топологически-защищенных) проводящих поверхностных состояний электронного газа. Исследования актуальны как в фундаментальном, так и в прикладном отношениях. ТИ очень перспективны для развития междисциплинарных связей между различными направлениями современной науки: спинтроники, лазерной физики, квантовой информатики, терагерцовых технологий для задач медицины, фармакологии и систем безопасности, а также ростовых технологий ТИ. Эпитаксиальные пленки ТИ на основе халькогенидов висмута и сурьмы будут выращены методом парофазного осаждения из металлоорганических соединений (MOVPE) на подложках сапфира и арсенида галлия. Будет исследован отклик на терагерцовых частотах ТИ, представляющих собой тонкие пленки бинарных соединений Bi2Te3, Bi2Se3, тройных твердых растворов Bi2Te3-xSex, Bi2-xSbxTe3 и, практически нереализованных к настоящему времени, четверных Bi2-xSbxTe3-ySey составов. Методами терагерцовой спектроскопии временного разрешения (terahertz time-domain spectroscopy) будут измерены спектры мнимой и действительной частей диэлектрической проницаемости данных сред в терагерцовом спектральном диапазоне при разных температурах, включая диапазон низких температур 4.2-100 K. На примере тонких островковых пленок ТИ с толщинами десятки нанометров будет изучено влияние наноструктурирования на поглощение терагерцового излучения топологическими изоляторами, что будет в дальнейшем использовано для создания принимающих терагерцовых антенн. С целью создания эффективных излучающих и детектирующих терагерцовых антенн, работающих в условиях фемтосекундной лазерной накачки на длине волны коммуникационного диапазона 1.5 мкм, в эпитаксиальных пленках ТИ с различными свойствами будут исследованы как генерация, так и детектирование терагерцового излучения. Также будет проведено сравнение полученных характеристик с лучшими характеристиками специально изготовленных и коммерческих фотопроводящих полупроводниковых антенн. С целью поиска нового сверхпроводящего 2D-материала для изготовления терагерцового болометра, будут найдены оптимальные условия для наблюдения сверхпроводимости в ТИ. Будет исследована возможность регистрации ТГц излучения в таких структурах, а также проведено сравнение эффективности с коммерческими сверхпроводящими болометрами на основе нитрида ниобия.

The work is devoted to the study of physical principles of construction of photonics devices of the far IR range (corresponding to terahertz frequencies) on the basis of fundamentally new materials – topological insulators (TI), characterized by the presence of stable (topologically-protected) conducting surface states of the electron gas. Research is relevant both in fundamental and in applied relations. TI is very promising for the development of interdisciplinary connections between different areas of modern science: spintronics, laser physics, quantum informatics, terahertz technologies for the problems of medicine, pharmacology and security systems, as well as growth technologies TI. Epitaxial TI films based on bismuth and stibium chalcogenides will be grown by vapor deposition of ORGANOMETALLIC compounds (MOVPE) on substrates of sapphire and gallium arsenide. Will examine the response at terahertz frequencies T, which is a thin film of binary compounds Bi2Te3, Bi2Se3, ternary solid solutions of Bi2Te3-xSex, Bi2-xSbxTe3 and largely unimplemented to date, quadruple Bi2-xSbxTe3-ySey compounds. Time-resolution terahertz spectroscopy (terahertz time-domain spectroscopy) will be used to measure the spectra of the imaginary and real parts of the dielectric permeability of these media in the terahertz spectral range at different temperatures, including a low temperature range of 4.2-100 K. for example, thin island films of TI with a thickness of tens of nanometers, the effect of nanostructuring on the absorption of terahertz radiation by topological insulators will be studied, which will be used in the future to create the receiving terahertz antennas. In order to create effective radiating and detecting terahertz antennas operating under femtosecond laser pumping conditions at the wavelength of the 1.5 µm communication range, generation and detection of terahertz radiation will be investigated in TI epitaxial films with different properties. The obtained characteristics will also be compared with the best characteristics of specially manufactured and commercial photoconducting semiconductor antennas. In order to find a new superconducting 2D material for the manufacture of a terahertz bolometer, the optimal conditions for observing superconductivity in TI will be found. The possibility of registration of THz radiation in such structures will be investigated, as well as a comparison of efficiency with commercial superconducting bolometers based on niobium nitride.

1. На подложках сапфира будут выращены пленки топологических изоляторов бинарного (Bi2Te3) и четверных составов (Bi2-xSbxTe3-ySey). Методом Ван-дер Пау будет произведена характеризация их транспортных свойств при температурах от 10 до 300 К, а атомно силовой и сканирующей электронной микроскопией - состояние их поверхности (Исполнители: Кузнецов П.И., 2. Будет исследована генерация ТГц излучения в указанных выше пленках ТИ (Исполнители: 3. Будет продемонстрирована работа излучающей терагерцовой антенны на основе пленок ТИ. (Исполнители: Кузнецов К.А., Леонтьев А.А., Китаева Г.Х.). 4. Будут исследованы механизмы генерации ТГц излучения поверхностными топологически-защищенными состояниями электронов при приложении внешнего ускоряющего электрического поля.

У коллектива есть существенный задел по исследованию отклика конденсированных сред в терагерцовом диапазоне, генерации и детектированию терагерцового излучения фотопроводящими полупроводниковыми антеннами, а также ростовым технологиям получения эпитаксиальных пленок. Были исследованы спектры терагерцового излучения, генерируемого эпитаксиальными плёнками LT-InGaAs при накачке фемтосекундным волоконным эрбиевым лазером Впервые было установлено, что мощность генерация терагерцового излучения слоями InGaAs на подложках InP (411) примерно на порядок больше, чем при генерации от слоев на подложках InP (100). Недавние работы участников проекта посвящены иследованиям генерации ТГц излучения в полупроводниковых фотопроводящих антеннах на основе InGaAs/GaAs. Экспериментально подтверждено, что для увеличения эффективности генерации оптимально использовать пленки, выращенные на подложках арсенида галлия с кристаллографической ориентацией (111)А, отличной от общепринятой (100). Наблюдаемое усиления ТГц поля было связано с увеличением числа анти-структурных ловушек AsGa+, что было подтверждено в экспериментах типа накачка-зондирование (pump-probe) по исследованию кинетики возбужденных носителей. Исследования по генерации терагерцового излучения в топологических изоляторах авторами были начаты в 2017 году. Обнаружено, что генерация ТГц излучения, обусловленная эффектом захвата фотонов (photon drag effect), в тонких островковых пленках ТИ происходит в 25 раз интенсивнее, чем в толстых. Наблюдаемые изменения связаны, по-видимому, с возбуждением поверхностного плазмона на островковой структуре ТИ (аналогичный эффект усиления эффекта захвата фотонов наблюдался в графене, нанесенном на сильно перколированный слой золота). Впервые был зарегистрирован эффект усиления терагерцового излучения при приложении к электродам на поверхности ТИ постоянного электрического напряжения, а также осуществлено изменение фазы ТГц импульсов на 180 град. при смене полярности внешнего напряжения.