[論文レビュー] Relocation of the topological surface state of Bi$_{2}$Se$_{3}$ beneath the surface by Ag intercalation

M. Ye, С. В. Еремеев+17 more|arXiv (Cornell University)|Dec 26, 2011

Topological Materials and Phenomena被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、AgがBi₂Se₃にインターカレーションすることにより、銀原子が五重層の間へ挿入され、ファンデルワールスギャップが拡張され、最上位の五重層が分離することが示された。これにより、トポロジカルな表面状態が分離された五重層の下に再配置され、表面汚染から遮断される一方で、局所的な非トポロジカルなバンドが誘発され、故障に強い量子デバイスに適した保護されたディラックフェルミオン状態が実現される。

ABSTRACT

We studied the Ag-intercalated 3D topological insulator Bi$_{2}$Se$_{3}$ by scanning tunneling microscopy/spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, combined with a first principles calculations. We demonstrate that silver atoms deposited on the surface of Bi$_{2}$Se$_{3}$ are intercalated between the quintuple layer (QL) units of the crystal, causing a expansion of the van der Waals gaps and the detachment of topmost QLs from the bulk crystal. This leads to a relocation (in the real space) of the the topological state beneath the detached quintuple layers, accompanied by the emergence of parabolic and "M-shaped" trivial bands localized above the relocated topological states. These novel findings open a pathway to the engineering of Dirac fermions shielded from the ambient contamination and may facilitate the realization of fault-tolerant quantum devices.

研究の動機と目的

• Bi₂Se₃表面へのAgの積層が及ぼす構造的および電子的効果を調査すること。
• Agのインターカレーションが3次元トポロジカル絶縁体におけるトポロジカルな表面状態の空間的位置を変化させることを特定すること。
• 層の分離とインターカレーションに起因するギャップ拡張によって生じる新たな電子状態の出現を調査すること。
• インターカレーションされたBi₂Se₃が、環境による散乱からトポロジカル状態を保護する可能性を評価すること。
• 制御されたインターカレーションを用いて、遮蔽されたディラックフェルミオンをトポロジカル絶縁体に設計する道筋を確立すること。

提案手法

• 78 Kで低温度STMシステムを用い、W先端を用いた定電流モードで走査トンネル顕微鏡/分光法（STM/STS）を実施した。
• Agを積層したBi₂Se₃表面の電子バンド構造をマップするために、角度分解光電子分光法（ARPES）が用いられた。
• 拡張されたファンデルワールスギャップを有するAgインターカレーションBi₂Se₃の電子構造をモデル化するために、第一原理密度汎関数理論（DFT）計算が用いられた。
• 理論的モデルには、最初および第二のファンデルワールスギャップにおける単一および二重のAgインターカレーションが含まれており、最上位の五重層が分離された状態を模擬した。
• 表面状態の局在化を特定するために、電荷密度分布および特にp_z軌道の特性が分析された。
• 1.0 kHzと10 mVの変調を用いたロックイン技術を用いて、微分コンダクタンスマップおよび空間的に分解されたSTSスペクトルが収集された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Bi₂Se₃表面へのAgの積層が、ファンデルワールスギャップの構造的変化を引き起こすメカニズムは何か？
• RQ2 Agのインターカレーションと層の分離後、トポロジカルな表面状態はどのように空間的に再配置されるか？
• RQ3 再配置されたトポロジカルな表面状態の上に現れる電子状態は何か？ それらはどのように特徴づけられるか？
• RQ4 分離された五重層の電子構造は、自由に浮遊するスラブと比較してどのように異なるか？
• RQ5 インターカレーションされた系が、表面汚染から遮蔽された保護されたディラックフェルミオンを保持できるか？

主な発見

• Ag原子がBi₂Se₃の五重層の間へインターカレーションし、ファンデルワールスギャップが36%拡張され、最上位の五重層がバルクから分離された。
• トポロジカルな表面状態が分離された五重層の下に再配置され、結晶内部に深く移動し、表面への吸着物から遮断された。
• 放物型の非トポロジカルなバンドが伝導帯下限の下に出現し、分離された五重層内に局在化しており、電荷密度はBi原子に集中している。
• M字型の非トポロジカルなバンドが価電子帯ギャップに現れ、拡張されたファンデルワールスギャップの界面に局在化しており、Se原子のp_z軌道特性を示している。
• ARPES測定により、予測されたDFTと整合する、投影されたバルクギャップ内に二つの放物型バンドおよび二つのM字型バンドが確認された。
• 新しい界面でもディラックコーンは保持されているが、より深い位置にシフトしており、ギャップ拡張が進んでもスピンテクスチャは変化しなかった。