[논문 리뷰] Super-resonant transport of topological surface states subjected to in-plane magnetic fields

Song-Bo Zhang, Chang-An Li외 5명|arXiv (Cornell University)|2021. 02. 26.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 76인용 수 15

한 줄 요약

이 논문은 면내 자기장이 위상수퍼표면 상태에서 초공진 전도를 유도하며, Landau 준위나 Aharonov-Bohm 효과 없이도 두드러진 전도도 진동을 유도한다고 제안한다. 이러한 진동은 자기장을 조절함으로써 다수의 전파 모드가 장벽을 통해 완벽하게 전도할 때 발생하며, 이는 HgTe와 Bi₂Se₃와 같은 물질에서 전자-정공 비대칭성과 자기장에 의해 유도되는 Dirac 원뿔의 기울임에 의해 가능해진다.

ABSTRACT

Magnetic oscillations of Dirac surface states of topological insulators are expected to be associated with the formation of Landau levels or the Aharonov-Bohm effect. We instead study the conductance of Dirac surface states subjected to an in-plane magnetic field in presence of a barrier potential. Strikingly, we find that, in the case of large barrier potentials, the surface states exhibit pronounced oscillations in the conductance when varying the magnetic field, in the extit{absence} of Landau levels or the Aharonov-Bohm effect. These novel magnetic oscillations are attributed to the emergence of extit{super-resonant regimes} by tuning the magnetic field, in which almost all propagating electrons cross the barrier with perfect transmission. In the case of small and moderate barrier potentials, we also identify a positive magnetoconductance which is due to the increase of the Fermi surface by tilting the surface Dirac cone. Moreover, we show that for weak magnetic fields, the conductance displays a shifted sinusoidal dependence on the field direction with period $\pi$ and phase shift determined by the tilting direction with respect to the field direction. Our predictions can be applied to many topological insulators, such as HgTe and Bi$_{2}$Se$_{3}$, and provide important insights into exploring and understanding exotic magnetotransport properties of topological surface states.

연구 동기 및 목표

• 기존의 Landau 준위나 Aharonov-Bohm 메커니즘을 초월한 위상수퍼표면 상태의 자화전도를 이해하기 위해.
• 전자-정공 비대칭성과 면내 자기장이 표면 상태 전도에 미치는 영향을 조사하기 위해.
• HgTe와 Bi₂Se₃와 같은 위상수퍼구조에서 관측된 설명되지 않은 자기장 진동의 기원을 밝히기 위해.
• 면내 자기장 하에서 초공진 전도와 같은 새로운 전도 영역을 식별하기 위해.
• HgTe와 Bi₂Se₃와 같은 실제 물질에 적용 가능한 이론적 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• 전자-정공 비대칭성 항( mk², γkₓkᵧ )과 면내 자기장에 의한 Zeeman 결합을 포함한 위상수퍼표면 상태에 대한 효과적 해밀토니안을 수립하기 위해.
• 자기장 방향과 강도에 따라 달라지는 모멘텀 공간 이동과 기울임 벡터 t를 포함한 기울인 Dirac 원뿔 모델을 유도하기 위해.
• 고정된 장벽 잠재 에너지 V₀를 통과하는 전도도 확률을 계산하기 위해 산란 접근법을 적용하고, 횡방향 운동량 ky 가 보존됨을 가정하기 위해.
• 전달 계수 t̃ₖy 와 전도도 G 를 모든 횡방향 모드에 대해 통합함으로써 계산하기 위해 전이 행렬 방법을 사용하기 위해.
• 자기장 강도와 방향, 피에르 에너지 불일치 및 장벽 잠재 에너지의 영향까지 포함하여 전도도를 자기장에 따라 평가하기 위해.
• 특정 자기장 조절 조건에서 다수의 모드가 동시에 완벽한 전도를 이루게 될 때 초공진 전도가 나타나는 메커니즘을 분석하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Landau 준위나 Aharonov-Bohm 효과 없이도 위상수퍼표면 상태에서 자기장 진동이 발생할 수 있는가?
• RQ2 표면 상태 스펙트럼의 전자-정공 비대칭성이 면내 자기장 하에서 자화전도에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 HgTe와 Bi₂Se₃에서 관측된 면내 자기장 하에서 두드러진 전도도 진동의 기원은 무엇인가?
• RQ4 초공진 전도는 어떤 조건에서 나타나며, 장벽 잠재 에너지와 자기장에 어떻게 의존하는가?
• RQ5 전도도가 면내 자기장 방향에 따라 어떻게 변화하는가? 주기성과 위상 이동은 무엇에 의해 결정되는가?

주요 결과

• 큰 장벽 잠재 에너지에서는 자기장이 다수의 전파 모드를 장벽을 완벽하게 통과시킬 수 있도록 조절할 때 초공진 전도가 나타나며, 이로 인해 Landau 준위나 Aharonov-Bohm 효과 없이도 강한 전도도 진동이 발생한다.
• 작고 중간 크기의 장벽 잠재 에너지에서는 Dirac 원뿔의 기울임으로 인한 피에르 표면의 확장으로 전도도가 자기장 강도에 따라 증가하며, 이는 정성 전도도 증가를 초래한다.
• 전도도는 면내 자기장 방향에 대해 주기 π로 이동한 사인 함수 형태의 의존성을 보이며, 위상 이동은 기울임 방향과 자기장 방향 간의 각도에 따라 달라진다.
• 장벽 잠재 에너지 V₀L 가 클수록 진동이 두드러지며, 그 주기는 자기장 강도와 g 인자, 효율 질량 등의 물성에 반비례한다.
• 초공진 영역은 강건하며 자기장 조절로 쉽게 조절 가능하며, 더 큰 V₀, v, g 또는 √(4m² + γ²) 인 경우 더 낮은 자기장에서 진동이 나타난다.
• 모델은 전자-정공 비대칭성과 강한 스핀-오르빗 결합이 존재하는 실제 물질인 HgTe와 Bi₂Se₃에서 측정 가능한 효과를 예측한다.