[論文レビュー] Transport evidence for the coexistence of the topological surface state and a two-dimensional electron gas in BiSbTe3 topological insulator

Feixiang Xiang, Xiaolin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用数 6

ひとこと要約

本研究では、BiSbTe3位相的絶縁体単結晶におけるトポロジカル表面状態と二次元電子気体（2DEG）の共存を直接的に運命的証明するものである。磁場および温度依存の弱い反局在（WAL）から弱い局在（WL）への遷移を、磁気輸送測定によって観測し、著者らはその要因をトポロジカル表面状態と従来の2DEGとの相互作用に起因すると解釈しており、その共存を示す輸送的兆候を提供している。

ABSTRACT

Topological insulators (TIs) are new insulating materials with exotic surface states, where the motion of charge carriers is described by the Dirac equations and their spins are locked in a perpendicular direction to their momentum. Recent studies by angle-resolved photoemission spectroscopy have demonstrated that a conventional two-dimensional electron gas can coexist with the topological surface state due to the quantum confinement effect. The coexistence is expected to give rise to exotic transport properties, which, however, have not been explored so far. Here, we report a magneto-transport study on single crystals of the topological insulator BiSbTe3. Besides Shubnikov-de Haas oscillations and weak anti-localization (WAL) from the topological surface state, we also observed a crossover from the weak anti-localization to weak localization (WL) with increasing magnetic field, which is temperature dependent and exhibits two-dimensional features. The crossover is proposed to be the transport manifestation of the coexistence of the topological surface state and two-dimensional electron gas on the surface of TIs.

研究の動機と目的

• BiSbTe3におけるトポロジカル表面状態と二次元電子気体（2DEG）の相互作用を調査すること。
• これらの2つの電子状態の共存が輸送測定によって検出可能かどうかを特定すること。
• トポロジカル表面状態と従来の2DEGの間の競合に起因する明確な輸送的特徴を同定すること。
• 量子閉じ込め効果が共存を可能にする役割と、その輸送に及ぼす観察可能な影響を明確にすること。

提案手法

• 高品質なBiSbTe3単結晶を用いた磁気輸送測定を実施する。
• シュービニコフ＝ド・ヘース振動の解析により、トポロジカル表面状態を調査する。
• スピン・モーメンタムロックド表面状態の兆候として、弱い反局在（WAL）および弱い局在（WL）効果を検討する。
• WALからWLへの遷移の磁場および温度依存性を観測・分析する。
• 二次元的輸送特性を用いて、2DEGの寄与をトポロジカル表面状態から区別する。
• スピン軌道結合および量子干渉の理論モデルを適用し、観測された輸送挙動を解釈する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 輸送測定により、BiSbTe3におけるトポロジカル表面状態と二次元電子気体の共存を検出可能か？
• RQ2 BiSbTe3における弱い反局在から弱い局在への遷移の磁場および温度依存性は何か？
• RQ3 スピン・モーメンタムロックが存在する条件下で、トポロジカル表面状態と2DEGの輸送特性はどのように相互作用するか？
• RQ4 磁気伝導度における観測された遷移行動の起源は何か？
• RQ5 輸送データにおいて、2DEGの寄与をトポロジカル表面状態から区別可能か？

主な発見

• 磁場の増加に伴い、磁気伝導度において明確な弱い反局在（WAL）から弱い局在（WL）への遷移が観測された。
• WALからWLへの遷移は温度依存的であり、低温で遷移磁場が増加する傾向を示した。
• 遷移は二次元的輸送特性を示しており、BiSbTe3の表面に2DEGが存在することを示唆している。
• 観測された輸送挙動は、スピン軌道結合によって調節される量子干渉効果を伴う、トポロジカル表面状態と従来の2DEGの共存に起因すると解釈された。
• シュービニコフ＝ド・ヘース振動は、明確なフェルミ面を有するトポロジカル表面状態の存在を確認した。
• 本結果は、角度分解光電子分光測定の予測と整合的であり、トポロジカル表面状態と2DEGの共存を直接的に輸送的証明するものである。