[论文解读] Aharonov-Bohm interference and colossal magnetoresistance in anisotropic topological insulator Beta-Ag2Te

Azat Sulaev, Peng Ren+7 more|arXiv (Cornell University)|Apr 17, 2012

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本研究证明，β-Ag2Te 是一种各向异性的拓扑绝缘体，其表面态具有无能隙的狄拉克表面态，该结论通过第一性原理计算和高质量纳米带中的量子干涉测量得到证实。鲁棒的阿哈罗诺夫-玻姆振荡与弱的阿尔夏洛夫-阿罗诺夫-斯皮瓦克振荡共存，为沿纳米带周界相干电子输运提供了直接证据，证实了具有强各向异性的金属态拓扑表面态。

ABSTRACT

We present evidence of topological surface states in beta-Ag2Te through first-principles calculations and periodic quantum interference effect in single crystalline nanoribbon. Our first-principles calculations show that beta-Ag2Te is a topological insulator with a gapless Dirac cone with strong anisotropy. To experimentally probe the topological surface state, we synthesized high quality beta-Ag2Te nanoribbons and performed electron transport measurements. The coexistence of pronounced Aharonov-Bohm oscillations and weak Altshuler-Aronov-Spivak oscillations clearly demonstrates coherent electron transport around the perimeter of beta-Ag2Te nanoribbon and therefore the existence of metallic surface states, which is further supported by the temperature dependence of resistivity for beta-Ag2Te nanoribbons with different cross section areas. Highly anisotropic topological surface state of beta-Ag2Te suggests that the material is a promising material for fundamental study and future spintronic devices.

研究动机与目标

• 通过第一性原理计算，确立β-Ag2Te作为具有各向异性表面态的拓扑绝缘体。
• 利用高质量单晶β-Ag2Te纳米带，实验探测拓扑表面态的存在。
• 研究纳米带几何结构中的相干电子输运，以确认金属态表面态。
• 探讨强各向异性拓扑表面态对自旋电子学应用的潜在影响。

提出的方法

• 采用第一性原理密度泛函理论计算，确定β-Ag2Te的电子能带结构和拓扑不变量。
• 通过气相输运法合成高质量单晶β-Ag2Te纳米带，用于输运测量。
• 在磁场下测量纳米带中的电子输运，以探测量子干涉效应。
• 分析阿哈罗诺夫-玻姆振荡和阿尔夏洛夫-阿罗诺夫-斯皮瓦克振荡，以确认沿纳米带周界的相干输运。
• 系统研究不同横截面积下电阻率与温度的关系，以验证表面态的主导作用。

实验结果

研究问题

• RQ1 根据第一性原理计算预测，β-Ag2Te是否具有无能隙狄拉克锥的拓扑表面态？
• RQ2 在β-Ag2Te纳米带中是否可观测到阿哈罗诺夫-玻姆和阿尔夏洛夫-阿罗诺夫-斯皮瓦克振荡等量子干涉效应，表明表面态的相干输运？
• RQ3 表面态的各向异性如何影响β-Ag2Te纳米带的输运特性？
• RQ4 所观测到的振荡行为和电阻率特性在多大程度上证实了金属态拓扑表面态的存在？

主要发现

• 第一性原理计算证实，β-Ag2Te 是一种具有无能隙狄拉克锥的拓扑绝缘体，其表面态表现出强烈的各向异性。
• β-Ag2Te纳米带磁阻中显著的阿哈罗诺夫-玻姆振荡，为电子沿纳米带周界相干输运提供了直接证据。
• 同时观测到弱的阿尔夏洛夫-阿罗诺夫-斯皮瓦克振荡，进一步支持了具有相干背向散射的金属态拓扑表面态的存在。
• 在不同横截面积下测量的温度依赖电阻率显示强烈依赖性，与表面态导电一致，证实其主导于体相贡献。
• β-Ag2Te中拓扑表面态的高度各向异性表明，未来在自旋电子学器件中具有实现定向输运控制的潜力。