[论文解读] Band Topology and Dichroic Signature of Bismuth

Guang Bian, Tay‐Rong Chang+4 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2017

Photorefractive and Nonlinear Optics被引用 3

一句话总结

本研究通过角分辨光电子能谱（ARPES）和圆二色性光电子能谱（CD-ARPES）建立了一种实验标准，用于检测铋（Bi）的能带拓扑性质，表明拓扑相与平凡相在表面能带对扰动的响应上存在根本性差异。关键结果是提出了一种直接探测Bi中$β_2$拓扑不变量的光谱方法，解决了长期存在的关于其拓扑性质的模糊性；同时，CD-ARPES揭示了Bi(111)表面复杂的自旋纹理，最大二色性约为~0.12。

ABSTRACT

Bismuth has been the key element in the discovery and development of topological insulator materials. Previous theoretical studies indicated that Bi is topologically trivial and it can transform into the topological phase by alloying with Sb. However, recent high-resolution angle-resolved photoemission spectroscopy (ARPES) measurements strongly suggested a topological band structure in pure Bi. To address this issue, we study the band structure of Bi and Sb films by ARPES and first-principles calculations. By tuning tight binding parameters, we show that Bi quantum films in topologically trivial and nontrivial phases response differently to surface perturbations. Therefore, we establish an experimental route for detecting the band topology of Bi by spectroscopic methods. In addition, our circular dichroic photoemission illuminates the rich surface states and complex spin texture of the Bi(111) surface.

研究动机与目标

• 通过建立直接的实验标准以确定能带拓扑性质，解决长期以来关于纯铋是否为拓扑平凡或非平凡的争议。
• 研究Bi和Sb薄膜中表面能带色散对表面扰动的响应，将其与体相能带拓扑联系起来。
• 利用圆二色性ARPES测绘Bi(111)表面的自旋纹理，识别出对自旋电子学具有重要意义的多个自旋极化表面态。
• 克服在体相Bi中探测L点小体带隙的技术挑战，通过在薄层中实现量子限制以增强可探测的拓扑信号。

提出的方法

• 采用分子束外延（MBE）在Si(111)衬底上外延生长高质量、厚度可控的Bi和Sb薄膜。
• 使用22 eV光子和15 meV能量分辨率进行高分辨角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以映射体相和表面电子结构。
• 采用左旋和右旋圆偏振光进行圆二色性ARPES（CD-ARPES）测量，以探测自旋极化表面态，定义二色性为$I_{DICH} = (I_{LCP} - I_{RCP}) / (I_{LCP} + I_{RCP})$。
• 基于VASP中的投影缀加平面波（PAW）方法和GGA泛函进行第一性原理计算，模拟能带结构和自旋纹理。
• 调节紧束缚参数，模拟在拓扑相与平凡相下表面能带对表面扰动的响应。
• 将实验获得的ARPES和CD-ARPES数据与第一性原理模拟结果进行对比，验证Bi的拓扑性质及自旋纹理的起源。

实验结果

研究问题

• RQ1 尽管在L点存在较小的体带隙，是否能够通过实验手段确定纯铋的能带拓扑性质？
• RQ2 当体相为拓扑平凡与非平凡时，Bi和Sb薄膜中表面能带色散对表面扰动（如化学终止）的响应有何不同？
• RQ3 在薄层中，量子限制在实现Bi中能带拓扑结构探测方面起到何种作用？
• RQ4 Bi(111)表面存在哪些自旋极化表面态？如何利用圆二色性ARPES探测它们？
• RQ5 CD-ARPES能否区分Bi中的Rashba型表面态与额外的表面共振态？

主要发现

• 厚度≤21个原子层的Sb薄膜表现出与拓扑绝缘体类似的拓扑表面态，其与体带相连，证实了Sb在薄层中的拓扑性质。
• 表面能带对表面扰动（如化学终止）的响应在拓扑相与平凡相之间存在根本性差异，为直接实验检测能带拓扑提供了依据。
• 存在一个临界厚度，超过该厚度后，量子限制引起的杂化能隙将超过本征体带隙，使自由悬浮薄膜中Bi的真实能带拓扑得以揭示。
• 对Bi(111)薄膜的CD-ARPES测量显示最大二色性约为~0.12，证实了自旋极化表面态的存在，包括一个十字形表面共振态和两个额外的表面能带。
• 实验测得的二色性图谱与第一性原理计算结果一致，识别出三种不同的自旋特征：两个Rashba型表面态和一个与体带重叠的表面共振态。
• 本研究证明，ARPES和CD-ARPES等光谱技术可克服在体相Bi中探测L点小能隙的技术挑战，实现对其拓扑不变量的直接探测。