[論文レビュー] Aharonov-Bohm interference and colossal magnetoresistance in anisotropic topological insulator Beta-Ag2Te

Azat Sulaev, Peng Ren+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、高品質なナノリボンを用いた第一原理計算および量子干渉測定により、ギャップレスのディラック表面状態を有する異方性トポロジカル絶縁体としてのβ-Ag2Teの存在を実証した。ロバストなアハロノフ＝ボーム効果と弱いアルツシュラー＝アロノフ＝スピヴァック効果の共存は、ナノリボン周囲にわたるコherent電子輸送の直接的証明を示し、強い異方性を示す金属的トポロジカル表面状態の存在を裏付けた。

ABSTRACT

We present evidence of topological surface states in beta-Ag2Te through first-principles calculations and periodic quantum interference effect in single crystalline nanoribbon. Our first-principles calculations show that beta-Ag2Te is a topological insulator with a gapless Dirac cone with strong anisotropy. To experimentally probe the topological surface state, we synthesized high quality beta-Ag2Te nanoribbons and performed electron transport measurements. The coexistence of pronounced Aharonov-Bohm oscillations and weak Altshuler-Aronov-Spivak oscillations clearly demonstrates coherent electron transport around the perimeter of beta-Ag2Te nanoribbon and therefore the existence of metallic surface states, which is further supported by the temperature dependence of resistivity for beta-Ag2Te nanoribbons with different cross section areas. Highly anisotropic topological surface state of beta-Ag2Te suggests that the material is a promising material for fundamental study and future spintronic devices.

研究の動機と目的

• 第一原理計算を用いて、β-Ag2Teが異方性表面状態を有するトポロジカル絶縁体であることを確立すること。
• 高品質な単結晶β-Ag2Teナノリボンを用いて、トポロジカル表面状態の存在を実験的に探査すること。
• ナノリボン幾何学的構造におけるコherent電子輸送を調査し、金属的表面状態の存在を確認すること。
• トポロジカル表面状態の強い異方性がスピントロニクス応用に与える影響を検討すること。

提案手法

• 第一原理密度汎関数理論計算を用いて、β-Ag2Teの電子バンド構造およびトポロジカル不変量を決定する。
• 蒸気相輸送法を用いて高品質な単結晶β-Ag2Teナノリボンを合成し、輸送測定に用いる。
• 磁場下におけるナノリボン内の電子輸送測定を実施し、量子干渉効果を検出する。
• アハロノフ＝ボーム効果およびアルツシュラー＝アロノフ＝スピヴァック効果の分析を通じて、ナノリボン周囲のコherent輸送を確認する。
• 異なる断面積における抵抗率の温度依存性を系統的に調査し、表面状態の優位性を検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 第一原理計算で予測されているように、β-Ag2Teはギャップレスのディラックコーンを有するトポロジカル表面状態を有するか？
• RQ2 アハロノフ＝ボーム効果およびアルツシュラー＝アロノフ＝スピヴァック効果といった量子干渉効果が、β-Ag2Teナノリボンで観測可能か。これはコherent表面状態輸送の証拠となるか？
• RQ3 表面状態の異方性が、β-Ag2Teナノリボンの輸送特性にどのように影響するか？
• RQ4 観測された振動および抵抗率の挙動が、金属的トポロジカル表面状態の存在をどの程度確認できるか？

主な発見

• 第一原理計算により、β-Ag2Teがギャップレスのディラックコーンを示し、表面状態に強い異方性を示すトポロジカル絶縁体であることが確認された。
• β-Ag2Teナノリボンの磁気抵抗に顕著なアハロノフ＝ボーム効果が観測され、ナノリボン周囲にわたるコherent電子輸送の直接的証明が得られた。
• 弱いアルツシュラー＝アロノフ＝スピヴァック効果の同時観測は、コherentバックスキャッタリングを伴う金属的トポロジカル表面状態の存在をさらに裏付けた。
• 異なる断面積における温度依存抵抗率測定は、表面状態による伝導に強く依存しており、これがバルク寄与を上回ることを確認した。
• β-Ag2Teにおけるトポロジカル表面状態の顕著な異方性は、将来的なスピントロニクスデバイスにおける方向性輸送制御の可能性を示唆している。