[논문 리뷰] On the signatures of non-topological patches on the surface of topological insulators

Tamoghna Barik, Jay D. Sau|arXiv (Cornell University)|2021. 08. 30.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 29인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 위상적 절연체의 표면에서 Te/Se 농도의 국소적 변동이 위상적 비자기 영역을 유도하는 계층적 효과 모델을 제안한다. 주로 스캐닝 턨널링 스펙트로스코피(STS)를 통해 이러한 비자기 영역가 억제된 국소 상태 밀도(LDOS) 영역으로 나타나며, 주변의 영역벽에서는 LDOS가 증가하여 전통적인 불순물과는 다를 수 있는 검출 가능한 서명을 제공한다.

ABSTRACT

The non-trivial topology in the layered $ ext{FeTe}_{0.55} ext{Se}_{0.45}$ (FTS) superconductor has been suggested by both theory and experiment to be strongly dependent on the Te concentration. Motivated by this together with the Te fluctuations expected from alloy disorder, we develop a simple layered model for a strong topological insulator that allows us to describe a scenario where topologically trivial domains permeate the sample. We refer to such a phase as topological domain disordered and study the local density (LDOS) of the topological surface states that can be measured using scanning tunneling spectroscopy (STS) in this phase. We find that topologically trivial domains on the surface, where one would expect the topological surface state to be absent, appear as regions of suppressed LDOS surrounded by domain walls with enhanced LDOS. Furthermore, we show that studying the energy dependence of the STS should allow us to distinguish the topologically trivial parts of the surface from other forms of disorder. Finally, we discuss implications of such local disappearance of the topological surface states for the observation of Majorana modes in vortices.

연구 동기 및 목표

• FeTe0.55Se0.45에서 Te/Se 농도 변동이 위상적 표면 상태에 미치는 영향을 이해하기 위해.
• 강한 위상적 절연체에서 합금 불순물에 의해 유도되는 위상적 비자기 영역의 발생을 모델링하기 위해.
• 스캐닝 터널링 스펙트로스코피(STS)를 활용하여 이러한 위상적 영역 불순물 상황의 실험적으로 검출 가능한 서명을 식별하기 위해.
• 에너지 의존적 STS 측정을 통해 위상적 영역 불순물과 다른 형태의 불순물(예: 화학적 위치 에너지 변동)을 구별하기 위해.
• 비자기 영역에서 국소 표면 상태 억제가 비틀림 핵심에서 마요라나 고립 상태의 안정성과 관측 가능성에 미치는 영향을 평가하기 위해.

제안 방법

• FTS의 C4 대칭성과 저에너지 밴드 구조를 바탕으로 한 현상학적 계층적 타이트버드 모델을 개발한다.
• ARPES 측정된 표면 상태 분산과 부스러기 밴드 매개변수에 맞추어 모델을 校정한다.
• Te/Se 변동에 의해 유도되는 위상 불변량의 국소적 변화를 시뮬레이션하기 위해 밴드 역전 매개변수에 불순물 포텐셜을 도입한다.
• 불순물 시스템을 위한 Kwant 패키지를 사용하여 국소 상태 밀도(LDOS)를 계산한다.
• 전통적인 화학적 위치 에너지 불순물과의 LDOS 서명을 비교한다.
• 에너지 의존적 STS 반응을 분석하여 위상적 영역 불순물 영역과 다른 종류의 불순물과를 구별한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 FeTe0.55Se0.45에서 Te/Se 농도의 국소적 변동은 위상적 표면 상태에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 위상적 절연체 표면에 임베디드된 위상적 비자기 영역의 고유한 STS 서명은 무엇인가?
• RQ3 에너지 분辨 STS 측정을 통해 위상적 영역 불순물과 전통적인 화학적 위치 에너지 불순물 간을 구별할 수 있는가?
• RQ4 비자기 영역 불순물 영역의 존재는 비틀림 핵심에서 마요라나 고립 상태 관측에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 위상적 영역 불순물 존재 시 영역벽이 증가된 LDOS를 매개하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 위상적 비자기 영역은 STS 측정에서 억제된 국소 상태 밀도(LDOS) 영역으로 나타난다.
• 이러한 비자기 영역는 증가된 LDOS를 보이는 영역벽으로 둘러싸여 있으며, 고유한 공간적 서명을 형성한다.
• 에너지 의존적 STS 측정을 통해 위상적 영역 불순물과 전통적인 화학적 위치 에너지 불순물 간을 구별할 수 있다.
• 비자기 영역에서 표면 상태의 억제는 Te/Se 농도 변동에 의해 유도된 국소적 위상 불변량 변화와 관련이 있다.
• 모델은 이러한 영역 불순물이 준입자 오염을 유도할 수 있으며, 비틀림 핵심에서 0-바이어스 피크의 도전도 높이를 감소시킬 수 있음을 예측한다.
• 연구 결과는 합금 불순물에 의해 유도된 국소적 위상 상전이가 실험에서 마요라나 고립 상태의 불완전하고 감소된 시각화를 설명할 수 있음을 시사한다.