[论文解读] The emergence of topologically protected surface states in epitaxial Bi(111) thin films

Kai Zhu, Lin Wu+11 more|arXiv (Cornell University)|Mar 1, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用 9

一句话总结

该论文提出，尽管外延生长的Bi(111)薄膜体相为拓扑 trivial，但当其厚度减小至10–70个单胞时，由于边缘模式的非对称杂化，其变为拓扑非平庸。量子输运测量——AAS、AB振荡、UCF和WAL——揭示了所有六个薄膜表面均存在稳健的金属表面态，体相能隙约为62 meV，证实了仅由厚度减小驱动的新型拓扑相变，与单层二维拓扑绝缘体不同。

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.

研究动机与目标

• 研究减小Bi薄膜厚度是否可诱导从平凡到非平凡的拓扑相变。
• 确定在体相变为绝缘体的Bi薄膜中，稳健金属表面导电的起源。
• 将此现象与单个单胞Bi中预测的二维拓扑绝缘体区分开来。
• 确立厚度诱导的拓扑相变可在体相平凡系统中发生。

提出的方法

• 在超高真空条件下，于Si(111)衬底上外延生长了10–70个单胞的Bi(111)薄膜，通过RHEED和XRD确认其为应变释放的单晶结构。
• 在1.4 K及最高9 T磁场下，进行了包括Altshuler-Aronov-Spivak (AAS)、Aharonov-Bohm (AB)振荡、普遍电导涨落(UCF)和弱局域化(WAL)在内的量子输运测量。
• 通过拟合温度依赖的电阻率，将表面电导率与体相电导率分离，低温下线性上升的电阻率归因于表面导电。
• 建立了理论模型，表明边缘模式衰减长度的非对称性可导致一对模式出现能隙，从而使系统变为拓扑非平庸。
• 对Bi超晶格的第一性原理计算证实了通过L点能隙反转实现的拓扑非平庸性，适用于12和15个单胞的体系。
• 对30 nm薄膜的ARPES测量确认了薄膜体相存在约62 meV的间接能隙。

实验结果

研究问题

• RQ1 像Bi这样的体相拓扑平凡系统，能否在减薄为二维薄膜后成为拓扑绝缘体？
• RQ2 在体相为绝缘体的Bi薄膜中，稳健金属表面态的起源是什么？
• RQ3 厚度减小如何在体相为平凡的体系中诱导拓扑相变？
• RQ4 该机制是否与单个单胞Bi中预测的二维拓扑绝缘体不同？
• RQ5 非对称边缘模式杂化能否解释薄膜中保护性表面态的出现？

主要发现

• Bi薄膜的纵向电阻率表现出从高温绝缘行为到低温金属行为的转变（dρxx/dT > 0），表明导电主要由表面主导。
• 通过ln(σ_interior)与1/T的关系图估算出体相能隙约为62 meV，与30 nm薄膜的ARPES测量结果一致。
• 在16.0 nm薄膜中观测到AAS和AB振荡，而在8.0 nm薄膜中AB振荡占主导，证实了表面态中相干量子输运的存在。
• 垂直磁场下的普遍电导涨落(UCF)证实了量子相干表面态的存在。
• 理论建模表明，边缘模式衰减长度的非对称性可导致一对模式出现能隙，从而使系统在体相平凡的前提下变为拓扑非平庸。
• 第一性原理计算证实，12和15个单胞的Bi(111)超晶格因L点能隙反转而表现出拓扑非平庸性，支持厚度驱动的相变机制。