[论文解读] Lifting the spin-momentum locking in ultra-thin topological insulator films

Arthur Leis, Michael Schleenvoigt+7 more|arXiv (Cornell University)|Jun 11, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 32被引用 16

一句话总结

本研究利用四探针扫描隧道显微镜测量了超薄 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 薄膜的厚度依赖电导率，发现当厚度低于约5个五原子层时，电导率呈指数下降。这一急剧下降归因于上下表面态之间的自旋保持反散射，该反散射由杂化引起，导致自旋-动量锁定被破坏并在狄拉克点打开能隙——为超薄拓扑绝缘体中量子自旋霍尔相的出现提供了直接实验证据。

ABSTRACT

Three-dimensional (3D) topological insulators (TIs) are known to carry 2D Dirac-like topological surface states in which spin-momentum locking prohibits backscattering. When thinned down to a few nanometers, the hybridization between the topological surface states at the top and bottom surfaces results in a topological quantum phase transition, which can lead to the emergence of a quantum spin Hall phase. Here, we study the thickness-dependent transport properties across the quantum phase transition on the example of (Bi$_{0.16}$Sb$_{0.84}$)$_2$Te$_3$ films, with a four-tip scanning tunnelling microscope. Our findings reveal an exponential drop of the conductivity below the critical thickness. The steepness of this drop indicates the presence of spin-conserving backscattering between the top and bottom surface states, effectively lifting the spin-momentum locking and resulting in the opening of a gap at the Dirac point. Our experiments provide crucial steps towards the detection of quantum spin Hall states in transport measurements.

研究动机与目标

• 研究厚度减小诱导的量子相变过程中，超薄拓扑绝缘体薄膜的输运特性。
• 确定在临界厚度以下的薄膜中，自旋保持反散射是否出现，从而导致自旋-动量锁定被破坏。
• 为上下表面态杂化导致的狄拉克点能隙打开提供直接实验证据。
• 建立一种利用多探针STM测量原始、未加工的超薄薄膜本征输运性质的方法。

提出的方法

• 采用四探针扫描隧道显微镜（STM）对厚度在1至12个五原子层（QL）之间的 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 薄膜进行局部四点电阻测量。
• 样品通过分子束外延生长，并使用掩膜形成从边缘约1 QL（~1 nm）到中心12 QL的厚度梯度。
• 在单个台阶上，探针间距约250 nm，通过四点电阻测量确定二维面电导率σ。
• 通过门电压依赖的输运实验估算底部表面的费米能级（EF,b），结果显示在80 V以上门电压时电导率急剧上升。
• 应用德鲁德模型计算预期电导率，考虑因能隙打开导致的厚度依赖有效质量和迁移率。
• 将模型与实验数据对比，发现存在偏差，表明存在超出能带结构效应的额外散射机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在临界厚度以下的超薄拓扑绝缘体薄膜中，自旋保持反散射是否出现，从而导致自旋-动量锁定被破坏？
• RQ2 在 (Bi0.16Sb0.84)2Te3 薄膜中，面电导率的厚度依赖性如何？是否偏离仅由能带结构变化预测的结果？
• RQ3 观察到的电导率下降是否可由上下表面态杂化导致的狄拉克点能隙打开来解释？
• RQ4 在量子自旋霍尔态下，原始、未经处理的薄膜中本征输运性质与理想拓扑表面态行为的偏离程度如何？

主要发现

• (Bi0.16Sb0.84)2Te3 薄膜的面电导率在厚度低于约5个五原子层时呈指数下降，表明其与理想拓扑表面态输运行为存在显著偏离。
• 电导率下降的陡峭程度无法仅通过能带结构效应（如能隙打开或有效质量变化）解释，表明存在额外的散射机制。
• 所观察到的行为归因于上下表面态之间的自旋保持反散射，该反散射由杂化引起，从而有效破坏了自旋-动量锁定。
• 狄拉克点处能隙打开（通过谱学测量确认）与超薄薄膜中量子自旋霍尔相的出现一致。
• 在零门电压下，底部表面的费米能级（EF,b）估计约为−50 meV，与Sb2Te3富集薄膜中的空穴掺杂一致。
• 仅包含能带结构效应的模型即使在改变EF,t、EF,b和迁移率比值的情况下，也无法再现实验中的电导率下降，证实存在额外的散射通道。