[論文レビュー] Band Topology and Dichroic Signature of Bismuth

Guang Bian, Tay‐Rong Chang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用数 3

ひとこと要約

本研究は、角度分解光電子分光法（ARPES）および円偏光二色性を用いた分光法（CD-ARPES）を用いて、ビスマスのバンド位相の実験的基準を確立し、トポロジカルな状態と自明な状態の間で表面バンドの摂動に対する応答が根本的に異なることを示した。主な結果は、Biにおける$β_2$トポロジカル不変量を直接測定可能な分光的手法の確立であり、長年の懸案であったその位相の性質の曇りを解消した。一方、CD-ARPESにより、Bi(111)表面に複雑なスピン構造が存在することが明らかになり、最大で約0.12の二色性が観測された。

ABSTRACT

Bismuth has been the key element in the discovery and development of topological insulator materials. Previous theoretical studies indicated that Bi is topologically trivial and it can transform into the topological phase by alloying with Sb. However, recent high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements strongly suggested a topological band structure in pure Bi. To address this issue, we study the band structure of Bi and Sb films by ARPES and first-principles calculations. By tuning tight binding parameters, we show that Bi quantum films in topologically trivial and nontrivial phases response differently to surface perturbations. Therefore, we establish an experimental route for detecting the band topology of Bi by spectroscopic methods. In addition, our circular dichroic photoemission illuminates the rich surface states and complex spin texture of the Bi(111) surface.

研究の動機と目的

• 純粋なビスマスがトポロジカルに自明か非自明かという長年の議論を解消するため、バンド位相検出の直接的実験的基準を確立すること。
• BiおよびSb薄膜における表面バンド分散が、表面の摂動（例えば化学的終端）に対して、バルクバンド位相がトポロジカルな場合と自明な場合でどのように異なる応答を示すかを調査し、その応答とバルク位相の関連を明確にすること。
• 円偏光二色性ARPESを用いて、Bi(111)表面のスピン構造をマッピングし、スピン極化された表面状態を同定することで、スピントロニクスに応用可能な表面状態を特定すること。
• バルクBiのL点における小さなバルクギャップを直接測定することが技術的に困難である課題を、薄膜における量子閉じ込め効果を活用することで、顕著なトポロジカルな信号を強化することで克服すること。

提案手法

• 分子線エpitaxy（MBE）を用いて、Si(111)基板上に厚さを制御した高品質なエpitaxialなBiおよびSb薄膜を成長させた。
• 22 eVの光子を用い、15 meVのエネルギー分解能を持つ高分解能角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、バルクおよび表面の電子状態をマッピングした。
• 左回りおよび右回りの円偏光光を用いた円偏光二色性ARPES（CD-ARPES）を実施し、スピン極化された表面状態を測定した。二色性は$ I_{DICH} = (I_{LCP} - I_{RCP}) / (I_{LCP} + I_{RCP}) $として定義した。
• VASPを用いた投影スピン波関数法（PAW）とGGA汎関数を用いた第一原理計算により、バンド構造およびスピン構造を模擬した。
• タイトバインディングパラメータを調整し、トポロジカル状態と自明状態の両方における表面バンドの摂動に対する応答を模擬した。
• 実験的ARPESおよびCD-ARPESデータと第一原理計算の結果を比較することで、Biのトポロジカル性およびスピン構造の起源を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 L点におけるバルクギャップが小さいにもかかわらず、純粋なビスマスのバンド位相を実験的に特定することは可能か？
• RQ2 バルクがトポロジカルに自明か非自明かに応じて、BiおよびSb薄膜における表面バンド分散が表面摂動（例：化学的終端）に対してどのように異なる応答を示すか？
• RQ3 薄膜における量子閉じ込め効果が、Biにおけるトポロジカルバンド構造の検出をどのように可能にするか？
• RQ4 Bi(111)表面に存在するスピン極化された表面状態は何か？また、それらは円偏光二色性ARPESによってどのようにプローブ可能か？
• RQ5 CD-ARPESは、Rashba型表面状態と追加の表面共鳴状態を区別できるか？

主な発見

• 厚さが21原子層以下のSb薄膜では、トポロジカル絶縁体と同様にバルクバンドに接続するトポロジカル表面状態を示し、薄膜におけるSbのトポロジカル性を確認した。
• 表面摂動（例：化学的終端）に対する表面バンドの応答が、トポロジカル状態と自明状態で根本的に異なることから、バンド位相検出の直接的実験的基準が得られた。
• 量子閉じ込めによる混合ギャップが、内在的バルクギャップを上回る臨界厚さが存在し、その厚さを超えると自由膜においても真のバンド位相が明確に現れる。
• Bi(111)薄膜におけるCD-ARPES測定では、最大で約0.12の二色性が観測され、スピン極化された表面状態（クロス形状の表面共鳴および2つの追加表面バンドを含む）の存在が裏付けられた。
• 実験的二色性マップは第一原理計算と一致し、3つの明確なスピン特徴（2つのRashba型表面状態およびバルクバンドと重複する表面共鳴）を解明した。
• 本研究は、ARPESおよびCD-ARPESといった分光的手法が、バルクBiのL点ギャップが小さいという技術的課題を克服し、そのトポロジカル不変量の直接的検出を可能にすることを示した。