[論文レビュー] Experimental evidence of large-gap two-dimensional topological insulator on the surface of ZrTe5

Rui Wu, J. Z.+13 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2016

Topological Materials and Phenomena参考文献 19被引用数 70

ひとこと要約

本研究では、ZrTe5の表面単層が約100 meVの大きなバンドギャップを示し、段差部に存在するトポロジカルに保護されたエッジ状態と有限な状態密度を持つことを実験的に示した。走査トンネル顕微鏡/分光法と角度分解光電子分光法を用い、第一原理計算と併用することで、著者らは、高温トポトロニクス応用に適した大きなギャップを有する二次元トポロジカル絶縁体である表面が実現されていることを示した。

ABSTRACT

Two-dimensional (2D) topological insulators (TIs) with a large bulk band-gap are promising for experimental studies of the quantum spin Hall effect and for spintronic device applications. Despite considerable theoretical efforts in predicting large-gap 2D TI candidates, only few of them have been experimentally verified. Here, by combining scanning tunneling microscopy/spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, we reveal that the top monolayer of ZrTe5 crystals hosts a large band gap of ~100 meV on the surface and a finite constant density-of-states within the gap at the step edge. Our first-principles calculations confirm the topologically nontrivial nature of the edge states. These results demonstrate that the top monolayer of ZrTe5 crystals is a large-gap 2D TI suitable for topotronic applications at high temperature.

研究の動機と目的

• 高温応用に適した大きなバルクバンドギャップを有する二次元トポロジカル絶縁体を特定し、実験的に検証すること。
• ZrTe5表面、特に表面単層の電子構造を調査すること。
• ZrTe5における表面状態がトポロジカルに非自明であり、保護されたエッジモードを有するかどうかを特定すること。
• 大きなエネルギーギャップと頑健なトポロジカル保護を有する材料系を同定することで、トポトロニクス素子の基盤を確立すること。

提案手法

• 走査トンネル顕微鏡および分光法（STM/STS）を用いて、ZrTe5の表面および段差部における局所的電子構造を調査し、バンドギャップを測定した。
• 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バンド構造をマッピングした。
• 第一原理計算を実施し、観察された表面状態のトポロジカル性およびバンド反転メカニズムを確認した。
• 実験データを理論モデルと比較することで、大きなバンドギャップおよびトポロジカルに保護されたエッジ状態の存在を検証した。
• 特に表面の段差部におけるギャップ領域内の状態密度に注目し、トポロジカルエッジモードの兆候を検出することを分析の焦点とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ZrTe5の表面単層は、二次元トポロジカル絶縁体に相当する大きなバンドギャップを有しているか？
• RQ2 ZrTe5の表面状態は、保護されたエッジモードによって示されるようにトポロジカルに非自明であるか？
• RQ3 ZrTe5表面状態のバンドギャップの大きさは何か？また、室温動作に十分な大きさか？
• RQ4 表面の段差部における電子的性質は、平らな領域（テラス）とどのように異なり、トポロジカルエッジ状態の兆候を示すか？
• RQ5 第一原理計算は、観察された電子構造を再現でき、表面状態のトポロジカル性を確認できるか？

主な発見

• 走査トンネル分光法による測定で、ZrTe5の表面単層が約100 meVの大きなバンドギャップを示した。
• 表面の段差部において、バンドギャップ内に有限の状態密度が観測され、トポロジカルに保護されたエッジ状態の存在を示した。
• 角度分解光電子分光法により、大きなバンドギャップを有する表面状態とスピン運動量ロックド分散の存在が確認された。
• 第一原理計算により、バンド反転と強いスピン軌道相互作用のおかげで、表面状態がトポロジカルに非自明であることが裏付けられた。
• 実験的および理論的結果の統合により、ZrTe5表面が大ギャップの二次元トポロジカル絶縁体であることが確認された。