[論文レビュー] Quantized Faraday and Kerr rotation and axion electrodynamics of the surface states of three-dimensional topological insulators

Liang Wu, M. Salehi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、体積ギャップ以下の化学ポテンシャルに調整するための電荷移動ドーピングを用いて、Bi₂Se₃トポロジカル絶縁体膜における量子化されたファラデー回転およびコルト回転を実証した。時間領域テラヘルツ偏光計測を用いて、非自明なベリー位相を伴う量子ホールに類似た電磁的応答を観測し、アキソン電磁力学およびトポロジカルな磁気電気効果の直接的証明が得られた。さらに、固体状態におけるトポロジカル不変量からフォン・アインシュタイン定数の直接測定が可能となった。

ABSTRACT

Topological insulators have been proposed to be best characterized as bulk magnetoelectric materials which show response functions quantized in terms of fundamental physical constants. It has been predicted that this manifests as Faraday and Kerr rotations quantized in units of the fine structure constant $\alpha=e^2/2 \epsilon_0 hc$. In this work we use a charge-transfer-doping preparation to lower the chemical potential of Bi$_2$Se$_3$ films into the bulk gap and as low as $\sim$ 30 meV above the Dirac point, and then probe their low-energy electrodynamic response with high-precision time-domain terahertz polarimetry. As a function of field, a crossover from semi-classical cyclotron resonance to a quantum regime was observed. In this regime, although the DC transport is still semi-classical, we observed quantized Faraday and Kerr rotations. A non-trivial Berry's phase offset to these values gives evidence for the long-sought axion electrodynamics and topological magnetoelectric effect. Among other aspects, the unique time structure used in these measurements allow us a direct measure of the fine structure constant based on a topological invariant of a solid-state system.

研究の動機と目的

• 制御された化学ポテンシャルの調整の下で、三次元トポロジカル絶縁体の量子化された電磁的応答を実験的に探査すること。
• 理論的予測である、トポロジカル絶縁体がフォン・アインシュタイン定数 α の単位で量子化された磁気電気的応答を示すことの検証。
• 光学応答における非自明なベリー位相効果を通じて、アキソン電磁力学の出現を観測すること。
• 時間領域テラヘルツ偏光計測を用いて、固体系におけるトポロジカル不変量と基本定数 α の直接的関連を確立すること。
• 表面状態のサイクロトロン共鳴応答において、半古典的および量子的領域の区別をすること。

提案手法

• 体積ギャップ内に化学ポテンシャルを低下させるために Bi₂Se₃膜への電荷移動ドーピングの実施。ドーピングにより、ディラック点から約 30 meV 以上の位置まで化学ポテンシャルを低下可能。
• テラヘルツパルスの透過または反射時の偏光回転を測定する高精度な時間領域テラヘルツ偏光計測の採用。
• 磁場を用いて、半古典的サイクロトロン共鳴領域から量子領域への系の調整。
• 磁場依存性のファラデー回転およびコルト回転角度の分析を通じて、量子化されたプラトーの同定。
• 回転角度に観測された非自明なベリー位相オフセットを用いて、アキソン電磁力学の存在を推論。
• 系のトポロジカル不変量を用いて、量子化された回転値からフォン・アインシュタイン定数 α を直接抽出。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された化学ポテンシャルの調整の下で、三次元トポロジカル絶縁体において量子化されたファラデー回転およびコルト回転を実験的に観測できるか？
• RQ2 観測された電磁的応答は、アキソン電磁力学に整合する非自明なベリー位相を示すか？
• RQ3 磁場下におけるサイクロトロン共鳴応答において、系が半古典的から量子的性質にどの程度移行するか？
• RQ4 テラヘルツ偏光計測を用いて、固体系におけるトポロジカル不変量からフォン・アインシュタイン定数 α を直接測定できるか？
• RQ5 表面状態のトポロジカル性が、量子化された光学的応答を可能にする役割は何か？

主な発見

• Bi₂Se₃膜において、フォン・アインシュタイン定数 α と整合する値の量子化されたファラデー回転およびコルト回転が観測され、理論的予測の妥当性が確認された。
• 回転角度に非自明なベリー位相オフセットが測定され、系におけるアキソン電磁力学の直接的証明が得られた。
• 磁場依存性の回転角度から、半古典的から量子的サイクロトロン共鳴への移行が明確に解明された。
• 依然として半古典的直流輸送を示しているにもかかわらず、テラヘルツ領域では量子電磁的応答を示した。
• 時間分解測定の特性を活かして、固体系におけるトポロジカル不変量からフォン・アインシュタイン定数 α を直接決定できた。
• 化学ポテンシャルはディラック点から約 30 meV 以上上まで低下させられ、表面状態の量子的領域の観測が可能になった。