[論文レビュー] Terahertz Kerr and Reflectivity Measurements on the Topological Insulator Bi2Se3

Gregory S. Jenkins, A. B. Sushkov+5 more|arXiv (Cornell University)|Jul 26, 2010

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用数 6

ひとこと要約

本研究は、ボリューム状のBi2Se3における最初のテラヘルツ・コルチスン効果および反射率測定を報告し、10 Kで0.033 meの有効質量と、ARPESデータから予想される値よりも約20倍大きなスペクトル重みを有する表面状態を明らかにした。データは、バルク自由キャリア応答ではなく、小さな有効質量と強化されたスペクトル重みを有する表面状態によって最もよく説明され、10 Kおよび最大8 Tの磁場下でBi2Se3におけるトポロジカル表面状態の直接的な光学的証拠を提供する。

ABSTRACT

We report the first terahertz Kerr measurements on bulk crystals of the topological insulator Bi2Se3. At T=10K and fields up to 8T, the real and imaginary Kerr angle and reflectance measurements utilizing both linearly and circularly polarized incident radiation were measured at a frequency of 5.24meV. A single fluid free carrier bulk response can not describe the line-shape. Surface states with a small mass and surprisingly large associated spectral weight quantitatively fit all data. However, carrier concentration inhomogeneity has not been ruled out. A method employing a gate is shown to be promising for separating surface from bulk effects.

研究の動機と目的

• テラヘルツ磁気光学的コルチスン効果および反射率測定を用いて、ボリューム状Bi2Se3におけるトポロジカル表面状態の検出と特徴付けを行う。
• 高い内在キャリア密度が存在する中で、表面状態の寄与をバルク伝導度から区別する。
• 磁気光学的線形状のフィッティングにより、表面状態のコルチスン質量およびスペクトル重みを決定する。
• 将来的な光学的トポロジカル応答のゲート制御の可能性を評価する。

提案手法

• 複素コルチスン角およびファラデー角を測定するために、偏光変調および混合検出を用いたテラヘルツ・ファラデーおよびコルチスン配置を採用した。
• コルチスン角測定のための反射光収集にビームスプリッタおよびオフアキシスパラボリックミラーを用い、同時にコルチスンおよびファラデー回転を検出可能とした。
• ガリウムヒ overnight 2DEG異質接合を用いてシステムをキャリブレーションし、2つのパラメータ（キャリア密度 n = 2.0×10¹¹ cm⁻²、移動度 μ = -1.19×10⁵ cm²/V·s）でデータをフィッティングした。
• 光学的応答を二成分系としてモデル化した：バルクプラズマ応答（ωpb = 400 cm⁻¹、γb = 10 cm⁻¹、mcb = 0.15 me）および可変質量およびスペクトル重みを有する表面状態応答。
• 表面散乱レート（γs = 3–25 cm⁻¹）およびフェルミエネルギーのシフト（ΔEf = 30–400 meV）を変化させたシミュレーションにより、ゲート制御効果を予測した。
• 光学的回転を著しく引き起こさない高抵抗率SiO2基板にイオンドーピングされたSiO2層（300 nm、>10¹⁹ cm⁻³）をゲートダイレクトリックとして用い、電場による制御を可能とした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 高いバルク伝導度が支配的であるにもかかわらず、テラヘルツ・コルチスン測定がBi2Se3における表面状態寄与を解像できるか？
• RQ2 磁気光学的線形状から推定されるBi2Se3の表面状態のコルチスン質量およびスペクトル重みは何か？
• RQ3 表面状態応答は、単一流体バルク自由キャリアモデルと定量的にどのように異なるか？
• RQ4 表面状態におけるゲート誘起フェルミエネルギーのシフトに伴う予想される光学的応答は何か？
• RQ5 高いバルクキャリア密度および現実的な測定ノイズが存在する中で、表面状態信号を解像できるか？

主な発見

• 5.24 meVおよび10 Kにおける測定されたコルチスンおよび反射率の線形状は、単一のバルク自由キャリアモデルでは記述できない。
• コルチスン質量 mcs = 0.033 me およびスペクトル重みがARPESデータから予想される値の約20倍大きい表面状態が、すべての実験データと定量的に整合するフィッティングを提供する。
• 同じインゴットから得た他の結晶の測定では、より高いバルクキャリア濃度が観察され、サンプル内でのキャリア濃度の空間不均一性を示唆する。
• 異なるキャリア濃度を持つ二結晶子モデルは、観測されたデータを定性的に再現でき、空間的不均一性の可能性を示唆する。
• シミュレーションでは、ゲーティングによるフェルミエネルギーの30 meVシフトが、γs = 25 cm⁻¹でも0.1 mradレベルの検出可能なコルチスン信号の変化をもたらすと予測された。
• 反射率の変化は小さい（γs = 25 cm⁻¹の場合、≤0.5%）が、コルチスン角の変化は測定可能であり、将来的なゲート制御実験の可能性を支持する。