Quantum Spin Hall Insulator State in HgTe Quantum Wells

凝聚态物理 量子霍尔效应 量子自旋霍尔效应 绝缘体(电) 物理 量子阱 自旋(空气动力学) 磁场 光电子学 量子力学 热力学 激光器
作者
Markus König,S. Wiedmann,C. Brüne,Andreas Roth,H. Buhmann,L. W. Molenkamp,Xiao-Liang Qi,Shou-Cheng Zhang
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science]
卷期号:318 (5851): 766-770 被引量:6079
标识
DOI:10.1126/science.1148047
摘要

Recent theory predicted that the quantum spin Hall effect, a fundamentally new quantum state of matter that exists at zero external magnetic field, may be realized in HgTe/(Hg,Cd)Te quantum wells. We fabricated such sample structures with low density and high mobility in which we could tune, through an external gate voltage, the carrier conduction from n-type to p-type, passing through an insulating regime. For thin quantum wells with well width d < 6.3 nanometers, the insulating regime showed the conventional behavior of vanishingly small conductance at low temperature. However, for thicker quantum wells (d > 6.3 nanometers), the nominally insulating regime showed a plateau of residual conductance close to 2e(2)/h, where e is the electron charge and h is Planck's constant. The residual conductance was independent of the sample width, indicating that it is caused by edge states. Furthermore, the residual conductance was destroyed by a small external magnetic field. The quantum phase transition at the critical thickness, d = 6.3 nanometers, was also independently determined from the magnetic field-induced insulator-to-metal transition. These observations provide experimental evidence of the quantum spin Hall effect.
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