[论文解读] Electrons on the surface of Bi2Se3 form a topologically-ordered two dimensional gas with a non-trivial Berry's phase

Y. Xia, L. Andrew Wray+9 more|ArXiv.org|Dec 11, 2008

Topological Materials and Phenomena被引用 10

一句话总结

该论文表明，本征Bi2Se3在无掺杂情况下表现出Z2拓扑绝缘体相，其表面态具有非平凡的贝里相位π。通过角分辨光电子能谱（ARPES）和第一性原理计算，作者证明表面态在Γ点处形成单一、非简并的费米面环，证实了−1的Z2不变量。较大的体带隙（~0.3 eV）使得该材料在室温下具有拓扑保护特性，因此Bi2Se3是一种鲁棒的、无杂质的平台，可用于研究拓扑量子现象，无需合金化或背栅调控。

ABSTRACT

The interface between a superconductor and a topological insulator has been proposed to harbor novel quasiparticles that realize physical schemes for fault-tolerant quantum computation. Here, we present high resolution angle-resolved photoemission experimental results, which along with first principles calculations, suggest that the surface-edge states of Bi2Se3 form a topological 2D metal. When magnetic atoms are deposited, the surface tends to lose Kramers' degeneracy and a k-space connection thread between the bulk valence and conduction bands is lost. Our observed states carry a πBerry's phase suggesting that although the real materials are often electron doped fully undoped Bi2Se3 would be a Z2 topological insulator at room temperature.

研究动机与目标

• 确立本征Bi2Se3在无合金化杂质的情况下表现出Z2拓扑绝缘体相。
• 确定Bi2Se3中的表面态是否具有非平凡的贝里相位并支持拓扑保护。
• 探究无掺杂Bi2Se3是否能容纳一个单一、拓扑保护的表面费米面环，其Z2不变量为−1。
• 证明由于具有足够大的带隙（~0.3 eV），该材料在室温下仍保持绝缘态。
• 表明由于不存在平凡表面态，无掺杂Bi2Se3中的表面输运完全由拓扑效应主导。

提出的方法

• 利用同步辐射源（SSRL和ALS）的17–45 eV光子进行角分辨光电子能谱（ARPES），以测绘表面电子结构。
• 采用WIEN2K软件包中的LAPW方法，在平板几何结构中进行第一性原理表面能带结构计算，包含GGA和自旋轨道耦合（SOC）。
• 在10–55 K、超高真空（<5×10−11 torr）条件下原位解理样品，以暴露纯净的(111)表面。
• 以约0.12 Å/min的速率沉积Fe，对表面进行电子掺杂，以破坏时间反演对称性，从而在时间反演不变动量点（TRIMs）打开能隙。
• 通过分析Γ点处谱权重抑制和能带分裂，推断表面态的拓扑特性。
• 将实验ARPES数据与计算能带结构进行对比，确认存在一个单一、无能隙的狄拉克型表面态，具有非平凡的贝里相位。

实验结果

研究问题

• RQ1 本征Bi2Se3是否具有Z2拓扑绝缘体相，且具有非平凡的贝里相位？
• RQ2 Bi2Se3的表面费米面是否由一个以Γ点为中心的单一、拓扑保护环构成？
• RQ3 通过观察时间反演不变动量点（TRIMs）之间费米面交叉的奇数次，能否确认Bi2Se3的拓扑特性？
• RQ4 无掺杂Bi2Se3中约0.3 eV的带隙是否足以在室温下维持拓扑保护？
• RQ5 表面掺杂（如Fe沉积）在通过时间反演对称性破缺探测拓扑特性方面起什么作用？

主要发现

• Bi2Se3的表面态在Γ点处形成一个单一、非简并的费米面环，与Z2不变量−1一致。
• ARPES测量显示，一个无能隙的狄拉克锥在费米能级处穿过，具有非平凡的贝里相位π。
• Fe沉积在Γ点处诱导出小能隙或谱权重抑制，证实了时间反演对称性的破坏，支持该态的拓扑本质。
• 在Γ与M之间的费米面交叉数为三，表明存在奇数个拓扑表面态，这是Z2 = −1的典型特征。
• 计算得到的体带隙约为0.3 eV，足以在室温下维持绝缘行为。
• 预测无掺杂Bi2Se3是一种鲁棒的、无杂质的拓扑绝缘体，其表面输运完全由拓扑效应主导。