[論文レビュー] Tailoring the electronic texture of a topological insulator via its surface orientation

Lucas Barreto, Wendell Simões e Silva+6 more|arXiv (Cornell University)|Feb 2, 2013

Topological Materials and Phenomena参考文献 34被引用数 7

ひとこと要約

本研究では、表面方位を制御することでトポロジカル絶縁体の電子的テクスチャーを設計可能であることを示した。理論的予測と一致するように、1つのディラックコーンではなく3つのディラックコーンを有するBi1-xSbx (110)表面を実験的に実現した。この研究は、トポロジカルディラックフェルミオンに新たなバレー自由度を明らかにし、表面結晶学的制御によるトポロジカル量子材料の設計可能性を拡張した。

ABSTRACT

Three dimensional topological insulator crystals consist of an insulating bulk enclosed by metallic surfaces, and detailed theoretical predictions about the surface state band topology and spin texture are available. While several topological insulator materials are currently known, the existence and topology of these metallic states have only ever been probed for one particular surface orientation of a given material. For most topological insulators, such as Bi$_{1-x}$Sb$_{x}$ and Bi$_2$Se$_3$, this surface is the closed-packed (111) surface and it supports one topologically guaranteed surface state Dirac cone. Here we experimentally realise a non closed-packed surface of a topological insulator, Bi$_{1-x}$Sb$_{x}$(110), and probe the surface state topology by angle-resolved photoemission. As expected, this surface also supports metallic states but the change in surface orientation drastically modifies the band topology, leading to three Dirac cones instead of one, in excellent agreement with the theoretical predictions but in contrast to any other experimentally studied TI surface. This illustrates the possibility to tailor the basic topological properties of the surface via its crystallographic direction. Here it introduces a valley degree of freedom not previously achieved for topological insulator systems.

研究の動機と目的

• 表面方位がトポロジカル絶縁体のトポロジカルな電子的テクスチャーを根本的に変えることができることを実験的に検証すること。
• トポロジカル絶縁体において長年にわたり(111)表面方位のみが研究対象であったという、長年の制限を克服すること。
• 非(111)表面、特にBi1-xSbx (110)において、複数のディラックコーンおよび複雑なフェルミ準拡が存在することを実証すること。
• 今後の表面工学に向けた高品質なエpitaxial (110)指向トポロジカル絶縁体薄膜の成長法を確立すること。
• 非(111)表面における異なるTRIM（Γ、M、X1）に存在する複数の表面状態ディラックコーンの理論的予測を検証すること。

提案手法

• 電子ビーム蒸着によるBiとSbの蒸着と、インスイット組成制御を用いたBi(110)基板上へのエpitaxial成長によるBi1-xSbx (110)薄膜の成長。
• 14–32 eVの光子エネルギー範囲での角度分解光電子分光法（ARPES）を用い、表面状態の分散関係および運動量依存性を確認。
• Teoら（2008年）の補間法を用いたタイトバインディング法およびグリーン関数法を用い、表面バンド構造およびスペクトル関数のモデル化。
• 薄膜厚さおよび組成（x ≈ 0.14）の系統的変更により、表面品質およびトポロジカル特性の最適化。
• 高エネルギー分解能および高角度分解能ARPES（20 meV未満および0.2°未満）を用い、表面状態とバルク状態の投影を明確に区別。
• Ne+イオンスパッタリングおよびアニールを用いたインスイットの試料準備により、成長前に原子的に清浄な(110)表面を実現。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 非(111)表面方位を選択することで、トポロジカル絶縁体の電子的テクスチャーを調整可能か？
• RQ2 理論的予測通り、Bi1-xSbx (110)表面は複数のディラックコーンを有するか？
• RQ3 Γ、M、X1点回りの観察されたフェルミ準拡がトポロジカル的に保護されており、表面フェルミオンパリティ計算と整合的か？
• RQ4 高品質なエpitaxial (110)指向トポロジカル絶縁体薄膜をBi(110)基板上に成長させ、このような研究を可能にするか？
• RQ5 観察された3つのディラックコーンのトポロジーは、(111)表面に見られる1つのディラックコーンとは明確に異なり、新たなバレー自由度を導入するか？

主な発見

• Bi0.86Sb0.14 (110)表面は、表面ブリユアンゾーンの中心点Γ、M、X1に3つの明確に分離したディラックコーンを有しており、高分解能ARPES測定により確認された。
• X1点回りに閉じたフェルミ準拡が観察され、ラシュバ分裂バンドと結合して、投影されたバルク価電子帯内に位置するディラック点を形成する電子パッチが形成された。
• 観察されたフェルミ準拡トポロジー（3つのTRIMが準拡で囲まれる）は、バルクパリティ不変量および表面フェルミオンパリティ計算に基づく理論的予測と良好に一致している。
• 表面状態の分散関係および運動量依存性が光子エネルギーに依存しないことから、観察された特徴がバルク状態の投影ではなく、本質的な表面状態であることが確認された。
• (110)表面は、異なる高対称点に存在する複数のディラックコーンのおかげでバレー自由度を有しており、これまでに研究された(111)表面では観察されなかった特徴である。
• Bi(110)基板上への高品質なBi1-xSbx (110)薄膜のエpitaxial成長が、最小限の格子不整合を伴って達成され、完全なトポロジカル表面状態の観察が可能となった。