[論文レビュー] The emergence of topologically protected surface states in epitaxial Bi(111) thin films

Kai Zhu, Lin Wu+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 9

ひとこと要約

本論文は、バルクがトポロジカルに自明であるにもかかわらず、10–70ビレイヤーに薄くされたエpitaxial Bi(111)薄膜が、非対称なエッジモード混合によってトポロジカルに非自明な状態に転移することを提案している。量子輸送測定（AAS、AB揺動、UCF、WAL）により、全6面の表面にわたって頑健な金属的表面状態が確認され、内部エネルギー間隔は約62 meVであった。これは、単に厚さの減少によって駆動される、従来の単一原子層2次元トポロジカル絶縁体とは異なる、新しいトポロジカル相転移を裏付けるものである。

ABSTRACT

Quantum transport measurements including the Altshuler-Aronov-Spivak (AAS) and Aharonov-Bohm (AB) effects, universal conductance fluctuations (UCF), and weak anti-localization (WAL) have been carried out on epitaxial Bi thin films ($10-70$ bilayers) on Si(111). The results show that while the film interior is insulating all six surfaces of the Bi thin films are robustly metallic. We propose that these properties are the manifestation of a novel phenomenon, namely, a topologically trivial bulk system can become topologically non-trivial when it is made into a thin film. We stress that what's observed here is entirely different from the predicted 2D topological insulating state in a single bilayer Bi where only the four side surfaces should possess topologically protected gapless states.

研究の動機と目的

• Bi薄膜の厚さを減少させることで、自明な状態から非自明な状態へのトポロジカル相転移が誘発されるかどうかを調査すること。
• バルクが絶縁体となるにもかかわらず、強固な金属的表面状態が生じる原因を特定すること。
• 単一ビレイヤーBiにおける予測された2次元トポロジカル絶縁体とはこの現象が異なることを明確にすること。
• バルクが自明な系においても、厚さに起因するトポロジカル相転移が生じうることを確立すること。

提案手法

• 10–70ビレイヤーのエpitaxial Bi(111)薄膜を、超高真空条件下でSi(111)基板上に成長させ、RHEEDおよびXRDを用いて歪み解放型単結晶構造であることを確認した。
• 1.4 Kおよび最大9 Tの磁場下で、Altshuler-Aronov-Spivak (AAS)、アハロノフ＝ボーム (AB) 揺動、普遍的伝導度フラクチュエーション (UCF)、弱局在化の逆転 (WAL) を含む量子輸送測定を実施した。
• 温度依存抵抗率のフィッティングにより、表面伝導と内部伝導を分離した。低温での線形上昇は表面伝導に起因するとされた。
• 理論的モデルを構築し、エッジモードの非対称な減衰長が、一対のモードにギャップを開く原因となり、バルクが自明でも系がトポロジカルに非自明になることを示した。
• Biスーパーライタ構造に対する第一原理計算により、12および15ビレイヤー系でL点におけるギャップ反転が確認され、トポロジカル非自明性が裏付けられた。
• 30 nm薄膜におけるARPES測定により、薄膜内部の間隔が約62 meVの間隔を示す間接ギャップが確認された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 Biのようなバルクがトポロジカルに自明な系が、2次元薄膜に薄められることでトポロジカル絶縁体に転移するか？
• RQ2 バルクが絶縁体となるにもかかわらず、Bi薄膜に強固な金属的表面状態が生じる原因は何か？
• RQ3 厚さの減少が、バルクでは自明な系においてどのようにトポロジカル相転移を誘発するのか？
• RQ4 このメカニズムは、単一ビレイヤーBiにおける予測された2次元トポロジカル絶縁体とは異なるものか？
• RQ5 非対称なエッジモード混合が、薄い薄膜における保護された表面状態の出現を説明できるか？

主な発見

• Bi薄膜の縦方向抵抗率は、高温では絶縁的挙動、低温では金属的挙動（dρxx/dT > 0）に遷移し、表面支配の伝導を示している。
• 内部エネルギー間隔は、ln(σ_interior) 対 1/T 図から約62 meVと推定され、30 nm薄膜のARPES測定結果とも整合的であった。
• 16.0 nm薄膜ではAASおよびAB揺動が観測され、8.0 nm薄膜ではAB揺動が支配的であった。これは表面状態における量子干渉的輸送が確認されたことを示している。
• 垂直磁場下での普遍的伝導度フラクチュエーション (UCF) は、量子干渉的表面状態の存在を裏付けた。
• 理論的モデリングにより、エッジモードの非対称な減衰長が、一対のモードにギャップを開く原因となり、バルクが自明であっても系がトポロジカルに非自明になることが示された。
• 第一原理計算により、12および15ビレイヤーのBi(111)スーパーライタ構造が、L点におけるギャップ反転によりトポロジカル非自明性を示すことが確認され、厚さ駆動型相転移を支持した。