[论文解读] Controlling and distinguishing electronic transport of topological and trivial surface states in a topological insulator

Helin Cao, Chang Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|Sep 10, 2014

Topological Materials and Phenomena参考文献 24被引用 12

一句话总结

本研究展示了通过调控拓扑绝缘体Bi2Te2Se的表面条件，可选择性地访问、控制并区分拓扑表面态（TSS）与非拓扑二维电子气（2DEG）态。利用温度依赖电阻率和非局域输运测量，作者识别出具有约π（TSS）和约0（2DEG）贝里相位的显著Shubnikov-de Haas振荡，从而实现了对真实材料中电子输运的清晰拓扑表征与控制。

ABSTRACT

Topological insulators (TI), with characteristic Dirac-fermion topological surface states (TSS), have emerged as a new class of electronic materials with rich potentials for both novel physics and device applications. However, a major challenge with realistic TI materials is to access, distinguish and manipulate the electronic transport of TSS often obscured by other possible parallel conduction channels that include the bulk as well as a two-dimensional electron gas (2DEG) formed near the surface due to bending of the bulk bands. Such a (Schrodinger-fermion) 2DEG represents topologically-trivial surface states, whose coexistence with the TSS has been revealed by angle resolved photoemission spectroscopy. Here we show that simple manipulations of surface conditions can be used to access and control both types of surface states and their coexistence in bulk-insulating Bi2Te2Se, whose surface conduction is prominently manifested in temperature dependent resistance and nonlocal transport. The trivial 2DEG and TSS can both exhibit clear Shubnikov-de Haas oscillations in magnetoresistance, with different Berry phases ~0 and ~pi that distinguish their different topological characters. We also report a deviation from the typical weak antilocalization behavior, possibly due to high mobility TSS. Our study enables distinguishing, controlling and harnessing electronic transport of TI surface carriers with different topological natures.

研究动机与目标

• 为解决拓扑绝缘体中拓扑表面态（TSS）与非拓扑表面态（2DEG）共存并掩盖输运测量结果的挑战。
• 开发一种选择性访问和控制体绝缘Bi2Te2Se中TSS与2DEG输运的方法。
• 通过输运信号（如贝里相位和量子振荡）实验识别并表征表面态的拓扑本质。
• 通过识别高迁移率TSS作为贡献因素，解决弱反局域化行为中的矛盾之处。
• 通过展示对拓扑上不同的表面载流子的控制，为未来器件应用铺平道路。

提出的方法

• 采用温度依赖电阻率和非局域输运测量，探测Bi2Te2Se中的表面导电行为。
• 施加表面处理以改变表面条件，选择性调控TSS与2DEG对导电的贡献。
• 测量磁阻以观察Shubnikov-de Haas振荡，揭示表面载流子的量子振荡行为。
• 通过振荡周期性分析贝里相位，以区分具有拓扑特性（相位~π）与非拓扑特性（相位~0）的表面态。
• 利用角分辨光电子能谱（ARPES）数据确认表面附近TSS与2DEG的共存。
• 将实验输运行为与弱反局域化及量子干涉效应的理论预期进行比较。

实验结果

研究问题

• RQ1 是否可通过工程化表面条件，选择性调控Bi2Te2Se中拓扑与非拓扑表面态对电输运的贡献？
• RQ2 如何通过输运测量实验区分表面态的拓扑本质？
• RQ3 该体系中偏离典型弱反局域化行为的根源是什么？
• RQ4 磁阻中Shubnikov-de Haas振荡在多大程度上反映了不同表面态的贝里相位？
• RQ5 共存的TSS与2DEG在体绝缘拓扑绝缘体中的整体导电机制中起到何种作用？

主要发现

• 表面处理实现了对Bi2Te2Se中拓扑表面态（TSS）与非拓扑二维电子气（2DEG）态的选择性访问与控制。
• 磁阻中的Shubnikov-de Haas振荡揭示了TSS的贝里相位约为π，2DEG的贝里相位约为0，证实了其不同的拓扑特性。
• 观测到的输运行为偏离标准弱反局域化行为，可能源于TSS的高迁移率，从而抑制了局域化效应。
• 温度依赖电阻率与非局域输运测量清晰地表现出表面导电，使表面态贡献得以分离。
• ARPES证实了TSS与2DEG的共存，并通过输运数据进一步验证，二者以可调方式共同贡献于导电。
• 本研究建立了一种实用方法，可区分并利用真实拓扑绝缘体材料中拓扑上不同的表面态电子输运。