[論文レビュー] Controlling and distinguishing electronic transport of topological and trivial surface states in a topological insulator

Helin Cao, Chang Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 24被引用数 12

ひとこと要約

本研究では、トポロジカル絶縁体Bi2Te2Seの表面状態をチューニングすることで、トポロジカル表面状態（TSS）と自明な二次元電子気体（2DEG）状態を、選択的にアクセス・制御・区別できることを示している。温度依存抵抗および非局所輸送を用いて、Berry位相が約π（TSS）および約0（2DEG）である明確に異なるShubnikov-de Haas効果の揺動を同定し、実材料における電子輸送の明確なトポロジカル特徴付けと制御が可能になった。

ABSTRACT

Topological insulators (TI), with characteristic Dirac-fermion topological surface states (TSS), have emerged as a new class of electronic materials with rich potentials for both novel physics and device applications. However, a major challenge with realistic TI materials is to access, distinguish and manipulate the electronic transport of TSS often obscured by other possible parallel conduction channels that include the bulk as well as a two-dimensional electron gas (2DEG) formed near the surface due to bending of the bulk bands. Such a (Schrodinger-fermion) 2DEG represents topologically-trivial surface states, whose coexistence with the TSS has been revealed by angle resolved photoemission spectroscopy. Here we show that simple manipulations of surface conditions can be used to access and control both types of surface states and their coexistence in bulk-insulating Bi2Te2Se, whose surface conduction is prominently manifested in temperature dependent resistance and nonlocal transport. The trivial 2DEG and TSS can both exhibit clear Shubnikov-de Haas oscillations in magnetoresistance, with different Berry phases ~0 and ~pi that distinguish their different topological characters. We also report a deviation from the typical weak antilocalization behavior, possibly due to high mobility TSS. Our study enables distinguishing, controlling and harnessing electronic transport of TI surface carriers with different topological natures.

研究の動機と目的

• トポロジカル絶縁体において、しばしば共存し、輸送測定を曇らせるトポロジカル表面状態（TSS）と自明な表面状態（2DEG）を区別する課題に対処すること。
• 本体絶縁性を示すBi2Te2Seにおいて、TSSおよび2DEG輸送を選択的にアクセス・制御する手法を開発すること。
• Berry位相や量子揺動といった輸送シグネチャーを用いて、表面状態のトポロジカル性を実験的に同定・特徴付けること。
• 弱い反局在行動における不一致を解消するため、高移動度TSSが寄与している要因を特定すること。
• トポロジカルに異なる表面キャリアの制御を実証することで、将来的なデバイス応用を可能にすること。

提案手法

• Bi2Te2Seの表面伝導を調べるため、温度依存抵抗および非局所輸送測定を実施した。
• 表面状態の寄与を選択的にチューニングするため、表面処理を施した。
• 磁気抵抗を測定し、表面キャリアの量子揺動的挙動を示すShubnikov-de Haas効果の揺動を観測した。
• 揺動周期からBerry位相を解析し、トポロジカル（位相～π）と自明（位相～0）の表面状態を区別した。
• 表面近くにTSSと2DEGが共存することを確認するため、角度分解光電子分光（ARPES）データを用いた。
• 弱い反局在および量子干渉効果の理論的期待値と、実験的輸送挙動を比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 表面状態を設計することで、Bi2Te2Seにおけるトポロジカル表面状態と自明な表面状態の電気的輸送への寄与を、選択的に制御できるか？
• RQ2 輸送測定を用いて、表面状態のトポロジカル性をどのように実験的に区別できるか？
• RQ3 この系における標準的な弱い反局在行動からの逸脱の原因は何か？
• RQ4 磁気抵抗におけるShubnikov-de Haas効果の揺動が、異なる表面状態のBerry位相をどの程度反映しているか？
• RQ5 共存するTSSと2DEGは、本体絶縁性トポロジカル絶縁体における全体の伝導機構にどのように寄与しているか？

主な発見

• 表面処理により、Bi2Te2Seにおけるトポロジカル表面状態（TSS）と自明な二次元電子気体（2DEG）状態の両方を、選択的にアクセス・制御できるようになった。
• 磁気抵抗におけるShubnikov-de Haas効果の揺動から、TSSではBerry位相が約π、2DEGでは約0である明確な差が観測され、両者の異なるトポロジカル性が裏付けられた。
• 観測された輸送挙動は、標準的な弱い反局在行動から逸脱しており、これはTSSの高移動度が局在効果を抑制しているためと考えられる。
• 温度依存抵抗および非局所輸送測定により、表面伝導が明確に現れ、表面状態の寄与を分離することが可能になった。
• ARPESによりTSSと2DEGの共存が確認され、さらに輸送データによって裏付けられ、両状態がチューニング可能な形で伝導に寄与していることが示された。
• 本研究では、実際のトポロジカル絶縁体材料において、トポロジカルに異なる表面状態からの電子輸送を区別・利用する実用的手法を確立した。