[論文レビュー] Material design with the van der Waals stacking of bismuth-halide chains realizing a higher-order topological insulator

Ryo Noguchi, Masaru Kobayashi+29 more|arXiv (Cornell University)|Feb 4, 2020

Topological Materials and Phenomena参考文献 59被引用数 7

ひとこと要約

本論文は、ビスマスハライド鎖をファンデルワールス積層することで、高次位相トポロジカル絶縁体（HOTI）を実現するための新しい材料設計戦略を提案している。角度分解光電子分光法（ARPES）を用いた実験により、Bi₄Br₄がHOTI相を示すことが実証された。主な結果は、ファンデルワールス材料において初めてHOTIが実験的に確認されたことであり、積層の対称性に起因する反転中心のわずかなずれが、自明な絶縁体から高次位相トポロジカル絶縁体へのトポロジカル遷移を引き起こし、保護されたヘリカルヘッジ状態を形成することを示している。

ABSTRACT

The van der Waals (vdW) materials with low dimensions have been extensively studied as a platform to generate exotic quantum properties. Advancing this view, a great deal of attention is currently paid to topological quantum materials with vdW structures. Here, we provide a new concept of designing topological materials by the vdW stacking of quantum spin Hall insulators (QSHIs). Most interestingly, a slight shift of inversion center in the unit cell caused by a modification of stacking is found to induce the topological variation from a trivial insulator to a higher-order topological insulator (HOTI). Based on that, we present the first experimental realization of a HOTI by investigating a bismuth bromide Bi4Br4 with angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES). The unique feature in bismuth halides capable of selecting various topology only by differently stacking chains, combined with the great advantage of the vdW structure, offers a fascinating playground for engineering topologically non-trivial edge-states toward future spintronics applications.

研究の動機と目的

• ファンデルワールス（vdW）材料において、量子スピンホール絶縁体（QSHI）層の制御された積層によって高次位相トポロジカル絶縁体（HOTI）を実現する可能性を探ること。
• 従来の候補（例えばバルクビスマス）が半金属であるため、絶縁体材料におけるHOTIの実験的証明が不足しているという問題に応えること。
• 積層順序の調整により、反転中心と対称性が変化することで、ビスマスハライドにおいてトポロジカル相転移を設計できることを示すこと。
• 今後のスピントロニクス応用のためのトポロジカルに保護されたエッジ状態およびヘッジ状態を設計する基盤を提供すること。

提案手法

• 10 KでBi₄Br₄単結晶の電子バンド構造を直接プローブするため、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられ、トポロジカルな表面状態およびヘッジ状態を同定した。
• スピン軌道相互作用とBecke-Johnsonポテンシャルを含む第一原理密度汎関数理論（DFT）計算により、バンド構造およびワニエ関数を計算した。
• ビューレン・アビ・イニツィオ・シミュレーション・パッケージ（VASP）およびWIEN2kを用いて構造最適化とバンド構造計算を行い、ワニエ関数の構築にはWien2WannierおよびWannier90を用いた。
• 12×5および12×6のナノワイヤをa軸およびc軸に沿って積層することで、バルク結晶の対称性を模擬し、トポロジカル性質を調査するモデルを構築した。
• 表面の結晶方位および積層構造の確認のため、斜入射X線回折（GISAXS）が用いられた。
• スキャンプローブ顕微鏡およびMIM測定のための薄いフラクタルを調製するために、機械的剥離および転写技術が用いられた。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ファンデルワールス材料におけるビスマスハライド鎖の積層構造が、自明な絶縁体から高次位相トポロジカル絶縁体への遷移を誘導できるか。
• RQ2 積層対称性に起因する反転中心のずれが、Bi₄Br₄に1次元ヘリカルヘッジ状態の出現を引き起こすか。
• RQ3 予測されたZ₄トポロジカル不変量{0,0,0,2}が、ARPESによってBi₄Br₄で実験的に観測可能か。
• RQ4 その準一次元的鎖構造を考慮しても、Bi₄Br₄のトポロジカル性質が分光測定によって確認可能か。
• RQ5 Bi₄X₄（X = I, Br）材料における積層順序が、トポロジカルな表面状態およびヘッジ状態の出現にどのように影響するか。

主な発見

• Bi₄Br₄単結晶に対するARPES測定により、(010)断面に2次元トポロジカル表面状態が観測され、Z₂,₂,₂,₄ = {0,0,0,2}のトポロジカル結晶絶縁体としての理論的予測と整合的であった。
• ギャップを持つ表面状態とディラック型分散の実験的観測は、保護された1次元ヘリカルヘッジ状態を有する高次位相トポロジカル絶縁体相の存在を支持する。
• 積層対称性に起因する反転中心のわずかなずれが、自明な絶縁体から高次位相トポロジカル絶縁体へのトポロジカル遷移を引き起こす主要因であることが判明した。
• DFT計算により、Bi₄Br₄のZ₄トポロジカル不変量{0,0,0,2}が確認され、理論的分類としてのHOTIとしての同定が裏付けられた。
• 材料は約0.3 eVのバルクバンドギャップを示し、頑健なトポロジカルヘッジモードを保持するに適した絶縁状態であると一致した。
• GISAXS測定により、Bi₄Br₄結晶の(001)方位および積層構造が確認され、観測されたトポロジカル相の構造的基盤を支持した。