[논문 리뷰] The emergence of topologically protected surface states in epitaxial Bi(111) thin films

Kai Zhu, Lin Wu외 11명|arXiv (Cornell University)|2014. 03. 01.

Topological Materials and Phenomena인용 수 9

한 줄 요약

이 논문은 비에피택셜 Bi(111) 박막이 일견은 위상적으로 비자기적인 부스러기 상태를 지니지만, 10–70 이중층으로 얇아질 경우 비대칭 모서리 모드의 혼합으로 인해 위상적으로 비자기적인 상태로 전이된다고 제안한다. 양자 운반측정(Altshuler-Aronov-Spivak (AAS), Aharonov-Bohm (AB) 진동, 보편적 전도도 변동(UCF), 약한 국소화의 반대(WAL))은 모든 여섯 면에서 강건한 금속성 표면 상태를 보여주며, 내부 에너지 갭은 약 ~62 meV로 확인되어 두께 감소에 의해 유도된 새로운 위상적 상전이임을 확인한다. 이는 단일 이중층 2차원 위상적 절연체와는 다를 바 있다.

ABSTRACT

Quantum transport measurements including the Altshuler-Aronov-Spivak (AAS) and Aharonov-Bohm (AB) effects, universal conductance fluctuations (UCF), and weak anti-localization (WAL) have been carried out on epitaxial Bi thin films ($10-70$ bilayers) on Si(111). The results show that while the film interior is insulating all six surfaces of the Bi thin films are robustly metallic. We propose that these properties are the manifestation of a novel phenomenon, namely, a topologically trivial bulk system can become topologically non-trivial when it is made into a thin film. We stress that what's observed here is entirely different from the predicted 2D topological insulating state in a single bilayer Bi where only the four side surfaces should possess topologically protected gapless states.

연구 동기 및 목표

• Bi 박막의 두께를 줄임으로써 비자기 상태에서 비자기 상태로의 위상적 상전이가 일어나는지 조사하는 것.
• 부스러기가 절연체가 되는 Bi 박막에서 강건한 금속성 표면 전도의 기원을 규명하는 것.
• 이 현상이 단일 이중층 Bi에서 예측된 2차원 위상적 절연체와 다를 바 있는지 구분하는 것.
• 두께 감소에 의해 유도되는 위상적 전이가 부스러기 상태가 비자기인 시스템에서도 발생할 수 있음을 입증하는 것.

제안 방법

• 10–70 이중층의 에피택셜 Bi(111) 박막은 고진공 조건에서 Si(111) 기판에 성장되었으며, RHEED 및 XRD를 통해 변형이 해소된 단일 결정성 구조임을 확인하였다.
• 1.4 K에서 9 T 이하의 자기장 조건에서 Altshuler-Aronov-Spivak (AAS), Aharonov-Bohm (AB) 진동, 보편적 전도도 변동(UCF), 약한 국소화의 반대(WAL)를 포함한 양자 운반측정을 수행하였다.
• 온도 의존 저항도를 피팅하여 표면 전도도와 내부 전도도를 분리하였으며, 저온에서의 선형 증가를 표면 전도에 기인하였다.
• 이론적 모델을 개발하여 비대칭 모서리 모드의 감쇠 길이가 한 쌍의 모드에서 갭을 열 수 있음을 보여주었으며, 이는 부스러기가 비자기 상태임에도 불구하고 시스템이 위상적으로 비자기 상태가 되게 한다.
• Bi 초합성체에 대한 제1원리 계산을 통해 12 및 15 이중층 시스템에서 L점 갭의 역전 현상이 위상적으로 비자기 상태임을 확인하였다.
• 30 nm 두께의 박막에 대해 수행한 ARPES 측정은 박막 내부에서 약 ~62 meV의 간섭 갭을 확인하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi처럼 부스러기가 비자기 상태인 시스템이 2차원 박막으로 얇아질 경우 위상적 절연체가 될 수 있는가?
• RQ2 부스러기가 절연체가 되는 Bi 박막에서 강건한 금속성 표면 상태의 기원은 무엇인가?
• RQ3 두께 감소가 부스러기가 비자기 상태인 시스템에서 위상적 상전이를 어떻게 유도하는가?
• RQ4 이 메커니즘은 단일 이중층 Bi에서 예측된 2차원 위상적 절연체와 다를까?
• RQ5 비대칭 모서리 모드의 혼합이 얇은 박막에서 보호된 표면 상태의 발생을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• Bi 박막의 종방향 저항도는 고온에서는 절연체 행동을 보이다가 저온에서는 금속성 행동으로 전이되며(dρxx/dT > 0), 이는 표면 전도가 지배함을 나타낸다.
• 내부 에너지 갭은 ln(σ_interior) vs. 1/T 그림에서 약 ~62 meV로 추정되었으며, 이는 30 nm 박막에 대한 ARPES 측정과 일치한다.
• 16.0 nm 박막에서 AAS 및 AB 진동이 관측되었으며, 8.0 nm 박막에서는 AB 진동이 지배적이었으며, 이는 표면 상태에서의 위상적으로 일관된 양자 운반을 확인한다.
• 수직 자기장 조건에서의 보편적 전도도 변동(UCF)은 양자적으로 일관된 표면 상태 존재를 확인한다.
• 이론적 모델링은 비대칭 감쇠 길이가 한 쌍의 모드에서 갭을 열 수 있음을 보여주었으며, 이는 부스러기가 비자기 상태임에도 불구하고 시스템이 위상적으로 비자기 상태가 되게 한다.
• 제1원리 계산은 12 및 15 이중층 Bi(111) 초합성체에서 L점 갭의 역전 현상으로 인해 위상적으로 비자기 상태임을 확인하였으며, 이는 두께에 따른 전이를 뒷받침한다.