[논문 리뷰] Relocation of the topological surface state of Bi$_{2}$Se$_{3}$ beneath the surface by Ag intercalation

M. Ye, С. В. Еремеев외 17명|arXiv (Cornell University)|2011. 12. 26.

Topological Materials and Phenomena인용 수 4

한 줄 요약

이 연구는 Bi₂Se₃ 내 Ag 삽입이 퀠터플렛층 사이에 Ag 원자가 삽입되어 반데르발스 갭을 확장하고 상부의 최상위 층을 분리시킨다고 보여준다. 이로 인해 토폴로지적 표면 상태가 분리된 퀸티플렛층 아래로 이동하여 오염으로부터 보호받게 되며, 국소적 거짓 상태가 유도되어 고장에 강한 양자 장치를 위한 보호된 디랙 페르미온 상태를 가능하게 한다.

ABSTRACT

We studied the Ag-intercalated 3D topological insulator Bi$_{2}$Se$_{3}$ by scanning tunneling microscopy/spectroscopy and angle-resolved photoemission spectroscopy, combined with a first principles calculations. We demonstrate that silver atoms deposited on the surface of Bi$_{2}$Se$_{3}$ are intercalated between the quintuple layer (QL) units of the crystal, causing a expansion of the van der Waals gaps and the detachment of topmost QLs from the bulk crystal. This leads to a relocation (in the real space) of the the topological state beneath the detached quintuple layers, accompanied by the emergence of parabolic and "M-shaped" trivial bands localized above the relocated topological states. These novel findings open a pathway to the engineering of Dirac fermions shielded from the ambient contamination and may facilitate the realization of fault-tolerant quantum devices.

연구 동기 및 목표

• Bi₂Se₃ 표면에 Ag를 증착시키는 것의 구조적 및 전자적 영향을 조사하기 위해.
• Ag 삽입이 3D 토폴로지 절연체 내에서 토폴로지적 표면 상태의 공간적 위치를 변화시킬 수 있는지 확인하기 위해.
• 층 분리와 삽입에 의한 갭 확장을 통해 새로운 전자 상태가 어떻게 나타나는지 탐색하기 위해.
• 삽입된 Bi₂Se₃가 환경에 의한 산산이 산란으로부터 토폴로지 상태를 보호할 잠재력을 평가하기 위해.
• 통제된 삽입을 통해 토폴로지 절연체 내에서 보호된 디랙 페르미온을 설계하는 길을 확립하기 위해.

제안 방법

• 78 K에서 저온 STM 시스템을 사용하여 W 피크를 사용한 일정 전류 모드에서 스캐닝 턨널링 현미경/스펙트로스코피(STM/STS)를 수행하였다.
• Ag 증착된 Bi₂Se₃ 표면의 전자 밴드 구조를 매핑하기 위해 각도 분해형 광전자 방출 분광법(ARPES)을 사용하였다.
• 확장된 반데르발스 갭을 가진 Ag 삽입 Bi₂Se₃의 전자 구조를 모델링하기 위해 제1원리 밀도함수이론(DFT) 계산을 시행하였다.
• 이론적 모델은 첫 번째 및 두 번째 반데르발스 갭에 단일 및 이중 Ag 삽입을 포함하였으며, 분리된 최상위 퀸티플렛층을 시뮬레이션하였다.
• 표면 상태의 국소화를 확인하기 위해 전하 밀도 분포와 궤도 성분(특히 p_z)을 분석하였다.
• 락인 기법을 사용하여 1.0 kHz 및 10 mV 변조 조건에서 미분 전도도 맵과 공간적으로 분해된 STS 스펙트럼을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 Bi₂Se₃ 표면에 Ag를 증착시키면 어떻게 삽입이 일어나고 반데르발스 갭의 구조적 변화가 발생하는가?
• RQ2 Ag 삽입과 층 분리 후 토폴로지적 표면 상태의 공간적 이동은 어떻게 이루어지는가?
• RQ3 이동된 토폴로지적 표면 상태 위에 나타나는 전자 상태는 무엇이며, 어떻게 특성화되는가?
• RQ4 분리된 퀸티플렛층의 전자 구조는 자유로운 슬립과 비교하여 어떻게 다른가?
• RQ5 삽입된 시스템이 표면 오염으로부터 보호된 디랙 페르미온을 수용할 수 있는가?

주요 결과

• Ag 원자가 Bi₂Se₃의 퀸티플렛층 사이에 삽입되어 반데르발스 갭이 36% 확장되고 최상위 퀸티플렛층이 기질에서 분리된다.
• 토폴로지적 표면 상태가 분리된 퀸티플렛층 아래로 이동하여 결정 내부로 더 깊이 이동하며 표면 오염 물질로부터 보호된다.
• 구형 거짓 밴드가 도체 밴드 최소값 이하에 나타나며, 분리된 퀸티플렛층 내에 국소화되어 Bi 원자 위에 전하 밀도가 집중된다.
• M자형 거짓 밴드가 확장된 반데르발스 갭의 인터페이스에서 국소화되어 Se 원자 위의 p_z 궤도 성분을 보인다.
• ARPES 측정 결과, DFT 예측과 일치하는 프로젝션된 부스터 갭 내에서 두 개의 구형 밴드와 두 개의 M자형 밴드가 확인되었다.
• 새로운 인터페이스에서 디랙 콘은 유지되지만 더 깊은 위치로 이동하였으며, 갭 확장이 증가함에도 불구하고 스핀 텍스처는 그대로 유지되었다.