[논문 리뷰] Observation of spin-momentum locked surface states in amorphous Bi$_{2}$Se$_{3}$

Paul Corbae, Samuel Ciocys외 13명|arXiv (Cornell University)|2019. 10. 29.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 1인용 수 1

한 줄 요약

이 연구는 장거리 결정학적 질서가 없는 상태에서도 스핀-운동량 고정 표면 상태의 존재를 보여준다. 역산형 및 스핀 해상도가 있는 광전자 방사 분석을 통해 저자들은 비대칭 스핀 구조를 가진 분산성 2차원 표면 상태를 확인하였으며, 이는 이론적 모델링과 실험적 방법을 통해 비정질 시스템에서의 위상적 보호를 확인한다.

ABSTRACT

Crystalline symmetries have played a central role in the identification of topological materials. The use of symmetry indicators and band representations have enabled a classification scheme for crystalline topological materials, leading to large scale topological materials discovery. In this work we address whether amorphous topological materials, which lie beyond this classification due to the lack of long-range structural order, exist in the solid state. We study amorphous Bi$_2$Se$_3$ thin films, which show a metallic behavior and an increased bulk resistance. The observed low field magnetoresistance due to weak antilocalization demonstrates a significant number of two dimensional surface conduction channels. Our angle-resolved photoemission spectroscopy data is consistent with a dispersive two-dimensional surface state that crosses the bulk gap. Spin resolved photoemission spectroscopy shows this state has an anti-symmetric spin texture resembling that of the surface state of crystalline Bi$_2$Se$_3$. These experimental results are consistent with theoretical photoemission spectra obtained with an amorphous tight-binding model that utilizes a realistic amorphous structure. This discovery of amorphous materials with topological properties uncovers an overlooked subset of topological matter outside the current classification scheme, enabling a new route to discover materials that can enhance the development of scalable topological devices.

연구 동기 및 목표

• 비정질 Bi₂Se₃, 즉 3D 위상 절연체 Bi₂Se₃의 비정질 변형체가 위상 표면 상태를 갖는지 조사하기 위해.
• 이동 대칭성이 없는 상태에서도 위상 절연체의 상징적 특징인 스핀-운동량 고정이 유지되는지 확인하기 위해.
• 비정질 위상 절연체의 이론적 모델과 실험적 광전자 방사 데이터 사이의 연결 고리를 확립하기 위해.
• 기존의 결정학적 대칭성에 기반한 위상 물질의 분류 방식을 도전하기 위해, 비정질 시스템에서 위상적 행동이 가능함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 스토이키올로지가 XPS, EDS 및 RBS로 확인된 초고진공(UHV) 조건에서 실온에서 열증착을 통해 비정질 Bi₂Se₃ 박막을 성장시킴.
• 고해상도 투과형 전자현미경(HRTEM), 스캐닝 나노회절, 변동 전자현미경(FEM)을 사용하여 비정질 성질을 확인하고 나노결정 영역이 존재하지 않음을 규명함.
• 온도 및 외부 자기장 의존성 전기저항 측정을 통해 약한 반국소화를 확인하고, 이는 2차원 표면 전도 채널을 시사함.
• 65–125 eV의 광자 에너지로 역산형 광전자 방사 분석(ARPES)을 수행하여 전자 밴드 구조를 매핑하고 양자간의 표면 상태가 존재하는지 탐지함.
• 시간 도달 시간 분석기와 자기성 박막에 의한 스핀 의존성 반사 기반의 스핀 해상도 ARPES를 사용하여 운동량에 따라 변화하는 스핀 구조 측정.
• 스핀-오비트 결합과 시간 역전 대칭성을 포함한 비정질 타이트버드 모델의 수치 시뮬레이션을 수행하고, 커널 다항식 방법을 사용하여 스펙트럼 함수를 계산하고 실험 결과와 비교함.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장거리 질서가 없는 비정질 물질에서도 스핀-운동량 고정 표면 상태가 존재할 수 있는가?
• RQ2 결정학적 대칭성이 없는 상태에서는 Bi₂Se₃에서 위상적으로 보호된 표면 상태가 형성되지 않는가?
• RQ3 약한 반국소화 및 ARPES에서 관측된 분산성 표면 상태와 같은 실험적 증거가 비정질 Bi₂Se₃에서 위상적 성질을 확인할 수 있는가?
• RQ4 비정질 Bi₂Se₃에서 표면 상태의 스핀 구조는 결정질 Bi₂Se₃와 비교해 어떻게 다른가? 이는 위상적 보존에 어떤 함의를 갖는가?
• RQ5 비정질 위상 절연체의 이론적 모델이 관측된 광전자 방사 스펙트럼을 재현하고 표면 상태의 존재를 확인할 수 있는가?

주요 결과

• 비정질 Bi₂Se₃ 박막은 금속적 행동을 보이며 높은 부스러기 저항을 보이며, 저자기장에서의 전기저항은 약한 반국소화와 일치하여 2차원 표면 전도가 지배적임을 시사함.
• 역산형 광전자 방사 분석을 통해 부스러기 밴드 갭을 가로지르는 분산성 2차원 표면 상태가 관측되어 표면 전자 상태의 존재를 확인함.
• 스핀 해상도 ARPES 측정에서 운동량에 따라 변화하는 반대칭 스핀 구조를 관측하여 스핀-운동량 고정의 직접적 증거를 제공함.
• 관측된 스핀 구조는 강력한 스핀-오비트 결합과 시간 역전 대칭성을 포함한 비정질 타이트버드 모델의 예측과 일치하며 뚜렷한 안정성을 보임.
• 스캐닝 나노회절 및 FEM 데이터는 장거리 질서나 나노결정의 전구체가 존재하지 않음을 확인하여 박막의 비정질 성질을 검증함.
• 이론적 시뮬레이션은 강력한 스핀-오비트 결합이 있는 비정질 시스템에서도 분산성이고 스핀-운동량 고정된 표면 상태가 나타날 수 있음을 보여주며, 주기성이 없더라도 가능함을 확인함.