[論文レビュー] Observation of spin-momentum locked surface states in amorphous Bi$_{2}$Se$_{3}$

Paul Corbae, Samuel Ciocys+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 1

ひとこと要約

本研究では、長距離秩序を有しないにもかかわらず、非晶質Bi₂Se₃薄膜にスピン運動量ロックされた表面状態が存在することを示している。角度分解およびスピン分解光電子分光法を用いて、反対称的なスピンテクスチャを示す分散的二次元表面状態を同定し、理論的・実験的モデリングを通じて不規則系におけるトポロジカル保護を確認した。

ABSTRACT

Crystalline symmetries have played a central role in the identification of topological materials. The use of symmetry indicators and band representations have enabled a classification scheme for crystalline topological materials, leading to large scale topological materials discovery. In this work we address whether amorphous topological materials, which lie beyond this classification due to the lack of long-range structural order, exist in the solid state. We study amorphous Bi$_2$Se$_3$ thin films, which show a metallic behavior and an increased bulk resistance. The observed low field magnetoresistance due to weak antilocalization demonstrates a significant number of two dimensional surface conduction channels. Our angle-resolved photoemission spectroscopy data is consistent with a dispersive two-dimensional surface state that crosses the bulk gap. Spin resolved photoemission spectroscopy shows this state has an anti-symmetric spin texture resembling that of the surface state of crystalline Bi$_2$Se$_3$. These experimental results are consistent with theoretical photoemission spectra obtained with an amorphous tight-binding model that utilizes a realistic amorphous structure. This discovery of amorphous materials with topological properties uncovers an overlooked subset of topological matter outside the current classification scheme, enabling a new route to discover materials that can enhance the development of scalable topological devices.

研究の動機と目的

• 非晶質Bi₂Se₃（3次元トポロジカル絶縁体Bi₂Se₃の不規則な変種）にトポロジカル表面状態が存在するかどうかを調査すること。
• 並進対称性が欠如する状況下でも、トポロジカル絶縁体の特徴であるスピン運動量ロックが維持されるかどうかを特定すること。
• 非晶質トポロジカル絶縁体の理論モデルと実験的光電子分光データの間の関係を確立すること。
• 結晶対称性に基づくトポロジカル材料の従来の分類を、非晶質系におけるトポロジカル挙動の存在によって挑戦すること。

提案手法

• XPS、EDS、RBSによる化学 stoichiometry の確認を伴う、超高真空（UHV）下での室温熱蒸発法による非晶質Bi₂Se₃薄膜の成長。
• 高分解能透過電子顕微鏡（HRTEM）、スキャンナノ回折、フラクチュエーショナル電子顕微鏡（FEM）を用いた構造的特徴付けにより、非晶質性の確認およびナノ結晶領域の除外。
• 温度および磁場依存性磁気抵抗の測定により、2次元表面伝導チャネルを示す弱い反局在化（weak antilocalization）を同定。
• 65–125 eVの光子エネルギーを用いた角度分解光電子分光法（ARPES）により、電子バンド構造のマップ作成およびバルクギャップを貫通する表面状態の検出。
• 時間飛行型分光計を用いたスピン分解ARPESにより、磁性薄膜からのスピン依存反射を介して、運動量関数としてのスピンテクスチャを測定。
• スピン軌道結合および時間反転対称性を有する非晶質タイトビンディングモデルの数値シミュレーションを実施。スペクトル関数の計算にはカーネル多項式法を用い、実験結果と比較した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長距離秩序を欠く材料において、スピン運動量ロックを示すトポロジカル表面状態が存在しうるか？
• RQ2 結晶対称性の欠如が、Bi₂Se₃におけるトポロジカル保護表面状態の形成を妨げるか？
• RQ3 弱い反局在化やARPESにおける分散的表面状態といった実験的シグネチャが、非晶質Bi₂Se₃におけるトポロジカル特性を確認できるか？
• RQ4 非晶質Bi₂Se₃における表面状態のスピンテクスチャは、結晶性Bi₂Se₃と比較してどのように異なり、トポロジカル保護に何を示唆するか？
• RQ5 非晶質トポロジカル絶縁体の理論モデルが、観測された光電子分光スペクトルを再現し、表面状態の存在を確認できるか？

主な発見

• 非晶質Bi₂Se₃薄膜は金属的挙動を示し、高抵抗バルクを示すが、低磁場下の磁気抵抗は弱い反局在化と整合的であり、2次元表面伝導が支配的であることを示唆している。
• 角度分解光電子分光法により、バルクバンドギャップを貫通する分散的二次元表面状態が観測され、表面電子状態の存在が確認された。
• スピン分解ARPES測定により、面内運動量に依存して変化する反対称的スピンテクスチャが観測され、スピン運動量ロックの直接的証明が得られた。
• 観測されたスピンテクスチャは頑健であり、強いスピン軌道結合および時間反転対称性を有する非晶質タイトビンディングモデルの予測と一致した。
• スキャンナノ回折およびFEMデータにより、長距離秩序やナノ結晶の前駆体が存在しないことが確認され、薄膜の非晶質性が裏付けられた。
• 理論的シミュレーションにより、周期性がなくても強いスピン軌道結合を有する非晶質系において、分散的かつスピン運動量ロックされた表面状態が出現しうることが示された。