[논문 리뷰] Coexisting surface states in the weak and crystalline topological insulator Bi_2TeI

Nurit Avraham, Andrew N. Norris외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 08. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 Bi₂TeI가 시간역전대칭(약한 위상수학적 절연체)과 거울대칭(결정학적 위상수학적 절연체)에 의해 보호되는 공존하는 표면 상태를 지닌 이중 위상수학적 절연체임을 입증한다. 각도분석형 광전자방출분광법(ARPES)을 통해 저자들은 (001) 표면에서 이차원적 디랙 콘과 결정학적 단면변위 가장자리에서 일차원적 헬리컬 에지 상태를 관측하였으며, 운동량과 에너지의 분리로 인해 이들의 공존이 가능함을 확인하였다. 이는 시간역전대칭과 거울대칭에 의해 보호되는 다수의 표면 상태를 지닌 새로운 위상수학적 물질의 클래스임을 확인한다.

ABSTRACT

The established diversity of electronic topology classes lends the opportunity to pair them into dual topological complexes. Bulk-surface correspondence then ensures the coexistence of a combination of boundary states that cannot be realized but only at the various surfaces of such a dual topological material. We show that the layered compound Bi_2TeI realizes a dual topological insulator. It exhibits band inversions at two time reversal symmetry points of the bulk band which classify it as a weak topological insulator with metallic states on its (010) 'side' surfaces. Additional mirror symmetry of the crystal structure concurrently classifies it as a topological crystalline insulator. Bi2TeI is therefore predicted to host a pair of Dirac cones protected by time reversal symmetry on its 'side' surfaces and three pairs of Dirac cones protected by mirror symmetry on its 'top' and 'bottom' (001) surfaces. We spectroscopically map the top cleaved surface of Bi_2TeI, and crystallographic step edges therein. We show the existence of both two dimensional surface states which are susceptible to mirror symmetry breaking, as well as one dimensional channels that reside along the step edges. Their mutual coexistence on the step edge where both facets join is facilitated by momentum and energy segregation. Our observations of a dual topological insulator make way to additional pairing of other dual topology classes with distinct surface manifestations coexisting at their boundaries.

연구 동기 및 목표

• 시간역전대칭과 거울대칭에 의해 별개의 대칭 보호를 받는 다수의 위상수학적 표면 상태가 동시에 존재하는 한 물질에서의 공존을 조사하는 것.
• 한 물질이 동시에 약한 위상수학적 절연체와 결정학적 위상수학적 절연체의 성질을 나타낼 수 있는지 여부를 규명하는 것.
• 스펙트로스코픽 매핑을 통해 Bi₂TeI에서 예측된 표면 상태 구조를 실험적으로 검증하는 것.
• 다양한 위상수학적 불변량과 그들이 결정면 접합부에서 표면 상태로 나타나는 방식 간의 상호작용을 탐구하는 것.

제안 방법

• Bi₂TeI의 상단 (001) 표면을 청소한 후 각도분석형 광전자방출분광법(ARPES)을 사용하여 전자 밴드 구조를 매핑하였다.
• 결정학적 단면변위 가장자리의 분석을 통해 (001) 및 (010) 면이 접하는 곳에서 형성된 일차원 표면 상태를 식별하였다.
• 시간역전대칭 불변 운동량 점에서의 밴드 역전 현상을 식별하고 거울대칭 보호를 확인하기 위해 이론적 밴드 구조 계산을 수행하였다.
• 이중차원 디랙 콘과 일차원 에지 채널 간의 운동량 및 에너지 분리를 분석하여 그들의 공존 원리를 설명하였다.
• 물질의 다층 구조와 대칭성을 활용하여 약한 위상수학적 절연체이자 결정학적 위상수학적 절연체로 분류하였다.
• (001) 및 (010) 표면의 표면 상태를 비교 분석하여 Bi₂TeI의 이중 위상수학적 성질을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 물질이 동시에 시간역전대칭과 거울대칭에 의해 보호되는 표면 상태를 지닐 수 있는가?
• RQ2 다른 결정면 간의 경계에서 약한 위상수학적 절연체의 표면 상태와 결정학적 위상수학적 절연체의 표면 상태가 어떻게 공존하는가?
• RQ3 운동량과 에너지의 분리가 서로 다른 위상수학적 표면 상태의 공존을 가능하게 하는 데서 수행하는 역할은 무엇인가?
• RQ4 Bi₂TeI에서 관측된 디랙 콘과 에지 채널의 실험적 관측 결과가 이중 위상수학적 절연체에 대한 이론적 예측과 어느 정도 일치하는가?
• RQ5 실재 물질계에서 다수의 위상수학적 표면 상태의 공존가능성을 실험적으로 검증할 수 있는가?

주요 결과

• Bi₂TeI는 (001) 표면에서 거울대칭에 의해 보호되는 이차원 디랙 콘을 나타내며, 스펙트로스코픽 관측에서 3개의 디랙 콘 쌍이 관측되었다.
• 결정학적 단면변위 가장자리에서 일차원 헬리컬 에지 상태가 관측되었으며, 이는 (001) 및 (010) 면의 접합으로 인해 발생한다.
• 이중차원 표면 상태와 일차원 에지 채널의 공존은 운동량 및 에너지의 분리로 인해 가능해졌으며, 이로 인해 혼합화가 방지되었다.
• (010) 표면는 시간역전대칭에 의해 보호되는 금속적 상태를 지니며, Bi₂TeI가 약한 위상수학적 절연체임을 확인한다.
• ARPES 측정 결과 시간역전대칭 불변 운동량에서의 밴드 역전 현상이 확인되어 약한 위상수학적 절연체 분류를 뒷받침한다.
• 약한 위상수학적 절연체와 결정학적 위상수학적 절연체의 불변량이 동시에 존재하며, 이에 따라 별개의 표면 상태 구조가 나타나므로 Bi₂TeI는 이중 위상수학적 절연체로 분류된다.