[論文レビュー] On the signatures of non-topological patches on the surface of topological insulators

Tamoghna Barik, Jay D. Sau|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本稿では、FeTe0.55Se0.45におけるトポロジカルな領域の不規則相を研究するための階層的有効モデルを提案する。ここで、Te/Se濃度の局所的フラクチュエーションが強トポロジカル絶縁体の表面にトポロジカルに自明な領域を誘発する。走査トンネル分光法（STS）を用いて、このような自明な領域が局所的状態密度（LDOS）が抑制された領域として現れ、LDOSが強化されたドメイン境界に囲まれており、従来の不規則性とは明確に異なる検出可能なシグネチャを示すことが示された。

ABSTRACT

The non-trivial topology in the layered $ ext{FeTe}_{0.55} ext{Se}_{0.45}$ (FTS) superconductor has been suggested by both theory and experiment to be strongly dependent on the Te concentration. Motivated by this together with the Te fluctuations expected from alloy disorder, we develop a simple layered model for a strong topological insulator that allows us to describe a scenario where topologically trivial domains permeate the sample. We refer to such a phase as topological domain disordered and study the local density (LDOS) of the topological surface states that can be measured using scanning tunneling spectroscopy (STS) in this phase. We find that topologically trivial domains on the surface, where one would expect the topological surface state to be absent, appear as regions of suppressed LDOS surrounded by domain walls with enhanced LDOS. Furthermore, we show that studying the energy dependence of the STS should allow us to distinguish the topologically trivial parts of the surface from other forms of disorder. Finally, we discuss implications of such local disappearance of the topological surface states for the observation of Majorana modes in vortices.

研究の動機と目的

• FeTe0.55Se0.45におけるTe/Se濃度フラクチュエーションがトポロジカル表面状態に与える影響を理解すること。
• 強トポロジカル絶縁体における合金不規則性によって生じるトポロジカルに自明なドメインの出現をモデル化すること。
• 走査トンネル分光法（STS）を用いて、このようなトポロジカルドメイン不規則相の実験的検出可能なシグネチャを同定すること。
• エネルギー依存のSTS測定を用いて、トポロジカルドメイン不規則性を他の不規則性（例えば化学ポテンシャルのフラクチュエーション）と区別すること。
• 局所的表面状態の抑制が、ヴォルテックスコアにおけるマヨラナ束縁状態の安定性および観測可能性に与える影響を評価すること。

提案手法

• FTSのC4対称性および低エネルギーバンド構造に基づく、体系的な階層的タイトバインディングモデルを構築する。
• ARPESで測定された表面状態分散およびバルクバンドパラメータに一致するように、モデルをキャリブレーションする。
• Te/Seフラクチュエーションに起因するトポロジカル不変量の局所的変化を再現するため、バンド反転パラメータに不規則性ポテンシャルを導入する。
• 不規則系のためのKwantパッケージを用いて、局所的状態密度（LDOS）を計算する。
• 従来の化学ポテンシャル不規則性と比較して、トポロジカルドメイン不規則性のLDOSシグネチャを分析する。
• エネルギー依存のSTS応答を分析し、他の種類の不規則性とは異なるトポロジカルドメイン不規則性領域を区別する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Te/Se濃度の局所的フラクチュエーションは、FeTe0.55Se0.45におけるトポロジカル表面状態にどのように影響を与えるか？
• RQ2 トポロジカル絶縁体表面に埋め込まれたトポロジカルに自明なドメインの明確なSTSシグネチャは何か？
• RQ3 エネルギー分解能を有するSTS測定は、トポロジカルドメイン不規則性と従来の化学ポテンシャル不規則性を区別できるか？
• RQ4 トポロジカルドメイン不規則性領域の存在は、ヴォルテックスコアにおけるマヨラナ束縁状態の観測にどのように影響するか？
• RQ5 ドメイン境界は、トポロジカルドメイン不規則性の存在下で、なぜLDOSが強化されるのか？

主な発見

• トポロジカルに自明なドメインは、STS測定において局所的状態密度（LDOS）が抑制された領域として現れる。
• これらの自明なドメインは、LDOSが強化されたドメイン境界に囲まれており、明確な空間的シグネチャを形成する。
• エネルギー依存のSTS測定により、トポロジカルドメイン不規則性と従来の化学ポテンシャル不規則性を区別できる。
• 自明なドメインにおける表面状態の抑制は、Te/Se濃度フラクチュエーションに起因する局所的トポロジカル不変量の変化に関連している。
• モデルは、このようなドメイン不規則性が準粒子の汚染を引き起こし、ヴォルテックスコアにおけるゼロバイアスピークの導電度高さを低下させることを予測している。
• 研究結果は、合金不規則性に起因する局所的トポロジカル位相転移が、実験で観測されるマヨラナ束縁状態の不完全で弱い可視性を説明する可能性を示唆している。