[论文解读] Coexisting surface states in the weak and crystalline topological insulator Bi_2TeI

Nurit Avraham, Andrew N. Norris+8 more|arXiv (Cornell University)|Aug 29, 2017

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文表明，Bi₂TeI 是一种双重拓扑绝缘体，同时具有由时间反演对称性（弱拓扑绝缘体）和镜像对称性（晶界拓扑绝缘体）保护的表面态。通过角分辨光电子能谱（ARPES）测量，作者在 (001) 表面上观测到二维狄拉克锥，在晶界台阶边缘观测到一维螺旋边缘态，动量和能量的分离使它们能够共存，证实了一类具有多个受保护表面态的新拓扑材料。

ABSTRACT

The established diversity of electronic topology classes lends the opportunity to pair them into dual topological complexes. Bulk-surface correspondence then ensures the coexistence of a combination of boundary states that cannot be realized but only at the various surfaces of such a dual topological material. We show that the layered compound Bi_2TeI realizes a dual topological insulator. It exhibits band inversions at two time reversal symmetry points of the bulk band which classify it as a weak topological insulator with metallic states on its (010) 'side' surfaces. Additional mirror symmetry of the crystal structure concurrently classifies it as a topological crystalline insulator. Bi2TeI is therefore predicted to host a pair of Dirac cones protected by time reversal symmetry on its 'side' surfaces and three pairs of Dirac cones protected by mirror symmetry on its 'top' and 'bottom' (001) surfaces. We spectroscopically map the top cleaved surface of Bi_2TeI, and crystallographic step edges therein. We show the existence of both two dimensional surface states which are susceptible to mirror symmetry breaking, as well as one dimensional channels that reside along the step edges. Their mutual coexistence on the step edge where both facets join is facilitated by momentum and energy segregation. Our observations of a dual topological insulator make way to additional pairing of other dual topology classes with distinct surface manifestations coexisting at their boundaries.

研究动机与目标

• 研究单一材料中由不同对称性保护的多种拓扑表面态的共存行为。
• 确定一种材料是否能同时表现出弱拓扑绝缘体和晶界拓扑绝缘体的行为。
• 利用光谱映射实验验证 Bi₂TeI 中预测的表面态结构。
• 探索不同拓扑不变量在晶体晶面交界处的表面态表现之间的相互作用。

提出的方法

• 采用角分辨光电子能谱（ARPES）对 Bi₂TeI 的顶部解理 (001) 表面的电子能带结构进行测绘。
• 分析晶体学台阶边缘，识别 (001) 和 (010) 晶面交界处形成的一维表面态。
• 进行理论能带结构计算，以识别时间反演不变动量点处的能带反转以及镜像对称性保护。
• 分析二维狄拉克锥与一维边缘通道之间在动量和能量上的分离，以解释其共存机制。
• 利用材料的层状结构和对称性，将其分类为弱拓扑绝缘体和晶界拓扑绝缘体。
• 对 (001) 和 (010) 表面的表面态进行对比分析，证实 Bi₂TeI 的双重拓扑特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 单一材料能否同时容纳由时间反演对称性和镜像对称性共同保护的表面态？
• RQ2 弱拓扑绝缘体和晶界拓扑绝缘体的表面态如何在不同晶面交界处共存？
• RQ3 动量和能量的分离在实现不同拓扑表面态共存中起到何种作用？
• RQ4 Bi₂TeI 中实验观测到的狄拉克锥和边缘通道与双重拓扑绝缘体的理论预测在多大程度上吻合？
• RQ5 能否在真实材料体系中实验验证多种拓扑表面态的共存？

主要发现

• Bi₂TeI 在其 (001) 表面上表现出受镜像对称性保护的二维狄拉克锥，光谱测量中观测到三对狄拉克锥。
• 在晶体学台阶边缘观测到一维螺旋边缘态，源于 (001) 和 (010) 晶面的交界。
• 二维表面态与一维边缘通道的共存得益于动量和能量的分离，避免了杂化。
• (010) 表面具有受时间反演对称性保护的金属态，证实了 Bi₂TeI 的弱拓扑绝缘体特性。
• ARPES 测量证实了时间反演不变动量点处的能带反转，支持其弱拓扑绝缘体的分类。
• 由于弱拓扑和晶界拓扑不变量的共存，且表现出不同的表面态特征，该材料被归类为双重拓扑绝缘体。