[论文解读] Massive states in topological heterojunctions

S. Tchoumakov, V. Jouffrey+5 more|arXiv (Cornell University)|Apr 28, 2017

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文表明，具有相反Z2指数的拓扑绝缘体之间的平滑界面会宿主多种表面态——包括无质量态和有质量态——其中只有在界面平滑的条件下才会出现有质量态。这些态在电压偏置下表现出粒子- hole对称性和相对论性行为，类似于狄拉克电子的朗道能级，对ARPES和输运实验具有重要意义。

ABSTRACT

We show that a smooth interface between two insulators of opposite topological Z2 indices possesses multiple surface states, both massless and massive. While the massless surface state is non-degenerate, chiral and insensitive to the interface potential, the massive surface states only appear for a sufficiently smooth heterojunction. The surface states are particle-hole symmetric and a voltage drop reveals their intrinsic relativistic nature, similarly to Landau bands of Dirac electrons in a magnetic field. We discuss the relevance of the massive Dirac surface states in recent ARPES and transport experiments.

研究动机与目标

• 研究具有相反Z2不变量的拓扑绝缘体之间平滑界面处形成的电子态。
• 确定此类异质结中出现有质量表面态的条件。
• 探讨这些表面态在电场偏置下的相对论性和粒子- hole对称性特征。
• 将理论预测与近期拓扑材料中的ARPES和输运测量结果联系起来。

提出的方法

• 分析具有相反Z2指数的两个绝缘体边界处的界面哈密顿量。
• 应用有效场论来模拟异质结中平滑的势能变化。
• 使用类狄拉克的相对论性方程来描述表面态及其对静电势的响应。
• 运用粒子- hole对称性论证来约束表面态的能量谱。
• 将电压作用下预测的类似朗道能级的量子化与实验观测进行比较。
• 聚焦于仅在足够平滑的界面中才会出现有质量态，将其与平凡或突变界面区分开来。

实验结果

研究问题

• RQ1 在何种条件下，有质量表面态会出现在拓扑异质结中？
• RQ2 表面态的相对论性和粒子- hole对称性特征在静电场偏置下如何表现？
• RQ3 界面平滑性在促成有质量狄拉克态形成过程中起什么作用？
• RQ4 预测的表面态特征与观测到的ARPES和输运数据相比如何？
• RQ5 为何有质量态在突变或无序界面中缺失？

主要发现

• 有质量表面态仅在平滑的拓扑异质结中出现，而在突变或无序界面中不出现。
• 无质量表面态具有手性、非简并性，并对界面势能变化具有鲁棒性。
• 有质量表面态表现出本征的相对论性行为，类似于磁场中狄拉克电子的朗道能级。
• 所有表面态均具有粒子- hole对称性，这是该系统的关键对称特征。
• 电压调控揭示了表面态的相对论性，证实了其狄拉克样特征。
• 理论预测与近期关于拓扑异质结构的ARPES和输运实验结果一致。