[論文レビュー] Lifting the spin-momentum locking in ultra-thin topological insulator films

Arthur Leis, Michael Schleenvoigt+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 32被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、四プローブ走査トンネル顕微鏡を用いて、超薄膜 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 における厚さ依存性伝導度を測定し、約5クintuple層未満で伝導度が指数関数的に低下することを明らかにした。急激な低下は、スピン保存型バックスクatteringが上下面状態間で生じ、ハイブリダイゼーションによってスピン運動量ロックが解除され、ディラック点にギャップが開くことによるものであり、これは超薄膜トポロジカル絶縁体における量子スピンホール相の出現を直接実験的に裏付けるものである。

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) topological insulators (TIs) are known to carry 2D Dirac-like topological surface states in which spin-momentum locking prohibits backscattering. When thinned down to a few nanometers, the hybridization between the topological surface states at the top and bottom surfaces results in a topological quantum phase transition, which can lead to the emergence of a quantum spin Hall phase. Here, we study the thickness-dependent transport properties across the quantum phase transition on the example of (Bi$_{0.16}$Sb$_{0.84}$)$_2$Te$_3$ films, with a four-tip scanning tunnelling microscope. Our findings reveal an exponential drop of the conductivity below the critical thickness. The steepness of this drop indicates the presence of spin-conserving backscattering between the top and bottom surface states, effectively lifting the spin-momentum locking and resulting in the opening of a gap at the Dirac point. Our experiments provide crucial steps towards the detection of quantum spin Hall states in transport measurements.

研究の動機と目的

• 厚さの減少によって誘発される量子相転移を経る超薄膜トポロジカル絶縁体の輸送特性を調査すること。
• 臨界厚さ未満の膜においてスピン保存型バックスクatteringが出現するかどうかを特定し、これによりスピン運動量ロックが破綻するかを検証すること。
• 上下面状態間のハイブリダイゼーションによって引き起こされるディラック点におけるギャップ開きを直接実験的に裏付けること。
• マルチプローブSTMを用いて、純粋で加工されていない超薄膜膜における真の輸送特性を測定する手法を確立すること。

提案手法

• 四プローブ走査トンネル顕微鏡（STM）を用いて、1〜12クインティプレット層（QL）の厚さを有する (Bi0.16Sb0.84)2Te3 膜に対して局所的四点抵抗測定を実施した。
• サンプルは分子線エpitaxy法により成長させ、シャドウマスクを用いて端縁部で約1 QL（～1 nm）から中心部で12 QLへの厚さ勾配を形成した。
• 測定は単一のテラス上、プローブ間隔約250 nmで実施され、四点抵抗から2次元シート伝導度σを決定した。
• ゲート電圧依存の輸送実験により、下下面のフェルミ準位（EF,b）を推定した。80 V以上のゲート電圧で伝導度が急激に上昇することが観察された。
• ドレーデモデルを適用し、ギャップ開きに起因する厚さ依存の有効質量および移動度の変化を考慮した予想伝導度を計算した。
• モデルと実験データを比較したところ、バンド構造の効果だけでは説明できない乖離が生じ、バンド構造効果を超える追加の散乱機構が存在することを示した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 臨界厚さ未満の超薄膜トポロジカル絶縁体膜において、スピン保存型バックスクatteringが出現し、スピン運動量ロックが破綻するか？
• RQ2 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 膜におけるシート伝導度の厚さ依存性は何か？ また、バンド構造の変化に起因する予測とはどの程度ずれるか？
• RQ3 観測された伝導度低下は、上下面状態間のハイブリダイゼーションに起因するディラック点におけるギャップ開きによって説明可能か？
• RQ4 真の、加工されていない膜における内在的輸送特性は、量子スピンホール状態領域における理想のトポロジカル表面状態の挙動からどの程度逸脱するか？

主な発見

• (Bi0.16Sb0.84)2Te3 膜のシート伝導度は、約5クインティプレット層未満で指数関数的に低下し、これは理想のトポロジカル表面状態輸送とは顕著に異なることを示している。
• 伝導度低下の急峻さは、ギャップ開きや有効質量の変化といったバンド構造効果のみでは説明できず、バンド構造効果を超える追加の散乱機構が存在することを示している。
• 観測された挙動は、ハイブリダイゼーションに起因する上下面状態間のスピン保存型バックスクatteringに起因し、これがスピン運動量ロックの実効的解除を引き起こしているとされる。
• 分光測定により確認されたディラック点におけるギャップ開きは、超薄膜膜における量子スピンホール相の出現と整合的である。
• ゼロゲート電圧下での下下面のフェルミ準位（EF,b）は約−50 meVと推定され、Sb2Te3を多く含む膜におけるホールドーピングと整合的である。
• バンド構造効果のみを含むモデルでさえ、EF,t、EF,b、移動度比を変化させても実験的伝導度低下を再現できないため、追加の散乱チャネルが存在することが確認された。