[論文レビュー] Coexisting surface states in the weak and crystalline topological insulator Bi_2TeI

Nurit Avraham, Andrew N. Norris+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、Bi₂TeI が時間反転対称性（弱いトポロジカル絶縁体）と鏡対称性（結晶的トポロジカル絶縁体）の両方によって保護される表面状態を共存させることを示している。角度分解光電子分光法（ARPES）を用いて、(001)面に二次元的ディラク・コーンと、結晶学的ステップエッジに沿った一次元的ヘリカルエッジ状態が観測された。運動量とエネルギーの分離により、それらの共存が可能となり、これは、複数の保護された表面状態を有する新しいトポロジカル材料のクラスであることを確認する。

ABSTRACT

The established diversity of electronic topology classes lends the opportunity to pair them into dual topological complexes. Bulk-surface correspondence then ensures the coexistence of a combination of boundary states that cannot be realized but only at the various surfaces of such a dual topological material. We show that the layered compound Bi_2TeI realizes a dual topological insulator. It exhibits band inversions at two time reversal symmetry points of the bulk band which classify it as a weak topological insulator with metallic states on its (010) 'side' surfaces. Additional mirror symmetry of the crystal structure concurrently classifies it as a topological crystalline insulator. Bi2TeI is therefore predicted to host a pair of Dirac cones protected by time reversal symmetry on its 'side' surfaces and three pairs of Dirac cones protected by mirror symmetry on its 'top' and 'bottom' (001) surfaces. We spectroscopically map the top cleaved surface of Bi_2TeI, and crystallographic step edges therein. We show the existence of both two dimensional surface states which are susceptible to mirror symmetry breaking, as well as one dimensional channels that reside along the step edges. Their mutual coexistence on the step edge where both facets join is facilitated by momentum and energy segregation. Our observations of a dual topological insulator make way to additional pairing of other dual topology classes with distinct surface manifestations coexisting at their boundaries.

研究の動機と目的

• 時間反転対称性と鏡対称性という異なる対称性保護によって保護される複数のトポロジカル表面状態が、同一の材料に共存できるかを調査すること。
• 材料が同時に弱いトポロジカル絶縁体と結晶的トポロジカル絶縁体の性質を示せるかを特定すること。
• 分光的マッピングを用いて、Bi₂TeI における予測された表面状態構造を実験的に検証すること。
• 異なるトポロジカル不変量とそれらの表面状態の現れ方との間の相互作用を、結晶面接合部で探ること。

提案手法

• Bi₂TeI の上部 (001) 面を高さ方向に切断し、その電子バンド構造を角度分解光電子分光法（ARPES）でマッピングした。
• 結晶学的ステップエッジを分析して、(001)面と (010) 面の接合部に形成される一次元的表面状態を同定した。
• 時間反転不変運動量点におけるバンド反転と鏡対称性保護を特定するために、理論的バンド構造計算を実施した。
• 二次元的ディラク・コーンと一次元的エッジチャネルの間の運動量およびエネルギーの分離を分析し、それらの共存を説明した。
• 材料の層状構造と対称性を用いて、弱いトポロジカル絶縁体および結晶的トポロジカル絶縁体の両方として分類した。
• (001)面および (010)面の表面状態を比較することで、Bi₂TeI の二重トポロジカル性を確認した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 同一の材料が、時間反転対称性と鏡対称性の両方によって保護される表面状態を同時に有できるか？
• RQ2 弱いトポロジカル絶縁体と結晶的トポロジカル絶縁体の表面状態が、異なる結晶面の境界でどのように共存するか？
• RQ3 運動量とエネルギーの分離が、異なるトポロジカル表面状態の共存を可能にする役割は何か？
• RQ4 Bi₂TeI におけるディラク・コーンとエッジチャネルの実験的観測が、二重トポロジカル絶縁体の理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 実際の物質系において、複数のトポロジカル表面状態の共存が実験的に確認可能か？

主な発見

• Bi₂TeI は (001) 面に鏡対称性によって保護される二次元的ディラク・コーンを示し、分光的に3組のディラク・コーンが観測された。
• 結晶学的ステップエッジに沿って一次元的ヘリカルエッジ状態が観測され、これは (001) 面と (010) 面の交差に起因する。
• 二次元的表面状態と一次元的エッジチャネルの共存は、運動量とエネルギーの分離によって可能となり、混合を防いでいる。
• (010) 面には時間反転対称性によって保護される金属的状態が存在し、Bi₂TeI が弱いトポロジカル絶縁体の性質を示すことを確認した。
• ARPES 測定により、時間反転不変運動量点におけるバンド反転が確認され、弱いトポロジカル絶縁体の分類を支持した。
• 弱いトポロジカル絶縁体と結晶的トポロジカル絶縁体の両方のトポロジカル不変量が同時に存在することから、Bi₂TeI は二重トポロジカル絶縁体として分類され、それぞれ異なる表面状態の現れ方を示した。