[논문 리뷰] Lifting the spin-momentum locking in ultra-thin topological insulator films

Arthur Leis, Michael Schleenvoigt외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 06. 11.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 32인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 초박성 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 필름에서 두께에 따른 전도도를 측정하기 위해 사립단자 스캐닝 턨널링 현미경을 사용하여, 약 5 퀘이니플 레이어 이하에서 전도도가 지수적으로 감소하는 현상을 규명하였다. 급격한 감소는 상하 표면 상태 간의 스핀 보존 배산산산화로 인해 발생하며, 이는 스핀-운동량 锁정을 해체하고 디랙 점에서 갭을 열게 하여 초박성 위상에서 양자 스핀 홀 효과의 존재를 직접적으로 실험적으로 입증한다.

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) topological insulators (TIs) are known to carry 2D Dirac-like topological surface states in which spin-momentum locking prohibits backscattering. When thinned down to a few nanometers, the hybridization between the topological surface states at the top and bottom surfaces results in a topological quantum phase transition, which can lead to the emergence of a quantum spin Hall phase. Here, we study the thickness-dependent transport properties across the quantum phase transition on the example of (Bi$_{0.16}$Sb$_{0.84}$)$_2$Te$_3$ films, with a four-tip scanning tunnelling microscope. Our findings reveal an exponential drop of the conductivity below the critical thickness. The steepness of this drop indicates the presence of spin-conserving backscattering between the top and bottom surface states, effectively lifting the spin-momentum locking and resulting in the opening of a gap at the Dirac point. Our experiments provide crucial steps towards the detection of quantum spin Hall states in transport measurements.

연구 동기 및 목표

• 감소한 두께에 의해 유도된 양자상전이를 거쳐 초박성 위상 절연체 필름의 전송 특성을 연구하기 위해.
• 임계 두께 이하의 필름에서 스핀 보존 배산산화가 나타나는지 확인하여 스핀-운동량 锁정이 붕괴되는지 여부를 규명하기 위해.
• 상하 표면 상태 간의 하이브리드화로 인해 디랙 점에서 갭이 열리는 것에 기인한 갭 개방에 대한 직접적인 실험적 증거를 제공하기 위해.
• 다단자 STM를 활용하여 정제된, 가공되지 않은 초박성 필름에서의 본질적 전송 특성을 측정하는 방법을 수립하기 위해.

제안 방법

• 1에서 12 퀘이니플 레이어(QL)의 두께를 가진 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 필름에서 국소적 사단자 저항 측정을 수행하기 위해 사립단자 스캐닝 터널링 현미경(STM)을 사용하였다.
• 샘플은 그림자 마스크를 사용하여 분자비화 에피택셜 기법으로 성장시켜 가장자리에서 1 QL(~1 nm)에서 중심부로 12 QL까지 두께 기울기를 만들었다.
• 측정는 단일 테라스에서 약 250 nm 간격을 두고 놓인 단자들 사이에서 수행되었으며, 사단자 저항으로부터 2차원 시트 전도도 σ를 도출할 수 있었다.
• 게이트 전압에 따른 전도도 변화를 통해 바닥 표면의 페르미 수준(EF,b)을 추정하였으며, 80 V 이상의 게이트 전압에서 전도도 급증이 관찰되었다.
• 디르드 모델을 적용하여 갭 열림으로 인한 두께 의존성 효과 질량 및 이동도 변화를 고려한 예상 전도도를 계산하였다.
• 모델을 실험 데이터와 비교한 결과, 밴드 구조 효과 외에 추가적인 산란 메커니즘이 존재함을 시사하는 괴리가 나타났다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 임계 두께 이하의 초박성 위상 절연체 필름에서 스핀 보존 배산산화가 나타나는가? 이는 스핀-운동량 锁정의 붕괴를 초래하는가?
• RQ2 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 필름의 시트 전도도는 두께에 따라 어떻게 변화하는가? 이는 순수히 밴드 구조 변화에 기반한 예측과 어떻게 다를까?
• RQ3 관측된 전도도 감소는 상하 표면 상태 간의 하이브리드화로 인해 디랙 점에서 갭이 열리기 때문인가?
• RQ4 정제된, 가공되지 않은 필름에서의 본질적 전송 특성은 양자 스핀 홀 상태 영역에서 이상적인 위상 표면 상태 거동과 얼마나 다를까?

주요 결과

• (Bi0.16Sb0.84)2Te3 필름의 시트 전도도는 약 5 퀘이니플 레이어 이하에서 지수적으로 감소하며, 이는 이상적인 위상 표면 상태 전도도 거동과의 강한 이탈을 나타낸다.
• 전도도 감소의 급격함은 밴드 구조 효과(예: 갭 열림 또는 효과 질량 변화)만으로는 설명할 수 없으며, 추가적인 산란 메커니즘이 존재함을 시사한다.
• 관측된 행동은 상하 표면 상태 간의 하이브리드화로 인한 스핀 보존 배산산화로 기인하며, 이는 스핀-운동량 锁정을 효과적으로 해체한다.
• 스펙트로스코픽 측정을 통해 확인된 디랙 점에서의 갭 개방은 초박성 필름에서 양자 스핀 홀 상의 존재와 일치한다.
• 제로 게이트 전압에서 바닥 표면의 페르미 수준(EF,b)은 약 −50 meV로 추정되며, 이는 Sb2Te3가 풍부한 필름에서 정공 도핑과 일치한다.
• 밴드 구조 효과만 포함한 모델은 EF,t, EF,b 및 이동도 비율을 다양하게 조정해도 실험적 전도도 감소를 재현하지 못하며, 이는 추가적인 산란 채널 존재를 확인한다.