[논문 리뷰] Controlling and distinguishing electronic transport of topological and trivial surface states in a topological insulator

Helin Cao, Chang Liu외 5명|arXiv (Cornell University)|2014. 09. 10.

Topological Materials and Phenomena참고 문헌 24인용 수 12

한 줄 요약

이 연구는 비스무스 템세이드(Bi2Te2Se)의 표면 조건을 조절하여 위상적 표면 상태(TSS)와 비위상적 2차원 전자기체(2DEG) 상태를 선택적으로 접근하고 제어하며, 이를 구분할 수 있음을 보여준다. 온도 의존 저항도 및 비국소적 운반 특성 측정을 통해, 위상적 표면 상태는 ~π의 베리 위상, 비위상적 표면 상태는 ~0의 베리 위상을 가지는 구분되는 쇼비니코프-데 하아스 진동을 관측하여, 실제 물질에서 전자 운반 특성의 위상적 특성과 제어가 가능함을 입증한다.

ABSTRACT

Topological insulators (TI), with characteristic Dirac-fermion topological surface states (TSS), have emerged as a new class of electronic materials with rich potentials for both novel physics and device applications. However, a major challenge with realistic TI materials is to access, distinguish and manipulate the electronic transport of TSS often obscured by other possible parallel conduction channels that include the bulk as well as a two-dimensional electron gas (2DEG) formed near the surface due to bending of the bulk bands. Such a (Schrodinger-fermion) 2DEG represents topologically-trivial surface states, whose coexistence with the TSS has been revealed by angle resolved photoemission spectroscopy. Here we show that simple manipulations of surface conditions can be used to access and control both types of surface states and their coexistence in bulk-insulating Bi2Te2Se, whose surface conduction is prominently manifested in temperature dependent resistance and nonlocal transport. The trivial 2DEG and TSS can both exhibit clear Shubnikov-de Haas oscillations in magnetoresistance, with different Berry phases ~0 and ~pi that distinguish their different topological characters. We also report a deviation from the typical weak antilocalization behavior, possibly due to high mobility TSS. Our study enables distinguishing, controlling and harnessing electronic transport of TI surface carriers with different topological natures.

연구 동기 및 목표

• 위상적 절연체에서 위상적 표면 상태(TSS)와 비위상적 표면 상태(2DEG)를 구분하는 데 어려움이 있으며, 이는 종종 운반 측정을 흐리게 하므로, 이를 해결하고자 한다.
• 부분적으로 절연된 Bi2Te2Se에서 TSS와 2DEG 운반을 선택적으로 접근하고 제어할 수 있는 방법을 개발하고자 한다.
• 베리 위상과 양자 진동과 같은 운반 서명을 이용해 표면 상태의 위상적 성질을 실험적으로 식별하고 특성화하고자 한다.
• 약한 반국소화 행동의 모순을 해소하기 위해 고이동도 TSS가 기여하는 요소를 규명하고자 한다.
• 향후 장치 응용을 가능하게 하기 위해 위상적으로 다른 표면 운반체를 제어할 수 있음을 보여주고자 한다.

제안 방법

• Bi2Te2Se의 표면 전도를 탐색하기 위해 온도 의존 저항도 및 비국소적 운반 특성 측정을 수행한다.
• 표면 처리를 적용하여 표면 조건을 변경하고, TSS와 2DEG의 전도 기여도를 선택적으로 조절한다.
• 자기장에 의한 저항도를 측정하여 쇼비니코프-데 하아스 진동을 관찰함으로써 표면 운반체의 양자 진동 행동을 드러낸다.
• 진동 주기성에서 유도된 베리 위상을 분석하여 위상적 상태(~π)와 비위상적 상태(~0)를 구분한다.
• 역산형 광전자 방사 스펙트로스코피(ARPES) 데이터를 활용하여 표면 근처에서 TSS와 2DEG의 공존을 확인한다.
• 약한 반국소화 및 양자 간섭 효과에 대한 이론적 예측과 실험적 운반 행동을 비교한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi2Te2Se에서 표면 조건을 공학적으로 조절하여 위상적 표면 상태와 비위상적 표면 상태의 전기적 운반에 기여도를 선택적으로 제어할 수 있는가?
• RQ2 운동 측정을 통해 표면 상태의 위상적 성질을 어떻게 실험적으로 구분할 수 있는가?
• RQ3 이 시스템에서 일반적인 약한 반국소화 행동과의 편차의 근본 원인은 무엇인가?
• RQ4 자기장 저항도에서 관측된 쇼비니코프-데 하아스 진동은 서로 다른 표면 상태의 베리 위상을 어느 정도 반영하는가?
• RQ5 공존하는 TSS와 2DEG는 부피 절연성 위상적 절연체에서 전체 전도 메커니즘에 어떻게 기여하는가?

주요 결과

• 표면 처리를 통해 Bi2Te2Se에서 위상적 표면 상태(TSS)와 비위상적 2차원 전자기체(2DEG) 상태를 선택적으로 접근하고 제어할 수 있다.
• 자기장 저항도에서 관측된 쇼비니코프-데 하아스 진동은 TSS에 대해 ~π, 2DEG에 대해 ~0의 구분되는 베리 위상을 보여주며, 이는 각 상태의 위상적 특성이 다름을 확인한다.
• 관측된 운반 행동은 표준적인 약한 반국소화 행동과 다소 다를 수 있으나, 이는 고이동도 TSS로 인해 국소화 효과가 억제되기 때문일 가능성이 높다.
• 온도 의존 저항도 및 비국소적 운반 특성 측정을 통해 표면 전도가 명확히 드러나, 표면 상태의 기여도를 분리하는 데 기여한다.
• ARPES와 운반 데이터를 통한 확인을 통해 TSS와 2DEG의 공존이 확인되었으며, 두 상태가 조절 가능한 방식으로 전도에 기여하고 있음을 입증하였다.
• 본 연구는 실제 위상적 절연체 물질에서 위상적으로 다른 표면 운반체의 운반 특성을 식별하고 활용할 수 있는 실용적 방법을 확립하였다.