[論文レビュー] Spin Polarization and Transport of Surface States in the Topological Insulators Bi2Se3 and Bi2Te3 from First Principles

Oleg V. Yazyev, Joel Moore+1 more|arXiv (Cornell University)|Dec 6, 2010

Topological Materials and Phenomena被引用数 25

ひとこと要約

本稿では、第一原理計算を用いて、Bi2Se3およびBi2Te3のトポロジカル絶縁体表面状態におけるスピン極化が、強いスピン軌道結合のため約50%にまで低下することを示している。これは理想化されたモデルとは対照的である。本稿では、外部電場を用いてスピン極化を電気的にチューニング可能な二重ゲートデバイスを提案し、スピン極化の最大値0.608を達成した。このデバイスにより、スピントロニクス応用のための、電導度とスピン極化の独立した制御が可能となる。

ABSTRACT

We investigate the band dispersion and the spin texture of topologically protected surface states in the bulk topological insulators Bi2Se3 and Bi2Te3 by first-principles methods. Strong spin-orbit entanglement in these materials reduces the spin-polarization of the surface states to ~50% in both cases; this reduction is absent in simple models but of important implications to essentially any spintronic application. We propose a way of controlling the magnitude of spin polarization associated with a charge current in thin films of topological insulators by means of an external electric field. The proposed dual-gate device configuration provides new possibilities for electrical control of spin.

研究の動機と目的

• 強いスピン軌道結合を完全に考慮した場合の、Bi2Se3およびBi2Te3のトポロジカル表面状態における真のスピン極化度を理解すること。
• 完全にスピン極化された表面状態を仮定する理想化されたモデルの限界を解消すること。
• スピントロニクス応用のための、薄膜トポロジカル絶縁体におけるスピン極化の実用的電気的制御法を提案すること。
• トポロジカル絶縁体のスピン輸送特性を、グラフェンナノリブンおよび従来の2DEG量子井戸と比較すること。

提案手法

• スピン軌道結合を含むために、一般化勾配近似(GGA)と完全相対論的ノルム保存擬ポテンシャルを用いた第一原理密度汎関数理論(DFT)。
• Bi2Se3およびBi2Te3の薄膜を模擬するため、厚さが1〜5クインティプレット層の(111)スラブモデルを用いる。
• 二重ゲート構成を模倣するため、スラブ全体にスイッチバック型のポテンシャルプロファイルを適用する。
• バンド構造、表面状態分散、およびSharvin電導度の計算により、スピン輸送特性を分析する。
• 化学ポテンシャルおよび印加電場の関数として、スピン密度のx成分⟨Px⟩を用いてスピン極化を評価する。
• Rashba系およびグラフェン系のエッジ状態と比較することで、スピン輸送の利点と限界を明らかにする。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強いスピン軌道結合を完全に考慮した場合、Bi2Se3およびBi2Te3の表面状態における実際のスピン極化度は何か？
• RQ2 薄膜トポロジカル絶縁体における電荷電流のスピン極化は、電気的にチューニング可能か？
• RQ3 トポロジカル絶縁体表面状態のスピン輸送特性は、グラフェンナノリブンおよびRashbaスピン軌道結合を有する従来の2DEGと比較して、定量的にどのように異なるか？
• RQ4 二重ゲートトポロジカル絶縁体デバイスで達成可能な最大スピン極化度は何か？また、その符号を反転可能か？

主な発見

• 強いスピン軌道結合により、スピンと軌道自由度が混ざり合い、Bi2Se3およびBi2Te3の表面状態におけるスピン極化は約50%にまで低下する。
• DFT-GGAを用いたBi2Se3のバンドギャップは0.31 eVと計算され、実験値の0.35 eVとよく一致する。
• Bi2Se3のバルクバンド最大値におけるフェルミ速度は4.6×10⁵ m/sであり、実験測定値と整合的である。
• 二重ゲート構成により印加された外部電場は、表面状態バンドに剛体なシフトを引き起こすが、バルク状態にはほとんど影響を与えない。
• ディラック点エネルギーE₁ᴰにおける最大スピン極化⟨Px⟩は0.608に達し、電場の向きを反転させることでその符号を反転可能である。
• 本デバイスは、広い範囲で電導度とスピン極化を独立して制御可能であり、スピントロニクス応用のためのチューナブルなプラットフォームを提供する。