[论文解读] Observation of spin-momentum locked surface states in amorphous Bi$_{2}$Se$_{3}$

Paul Corbae, Samuel Ciocys+13 more|arXiv (Cornell University)|Oct 29, 2019

Topological Materials and Phenomena参考文献 1被引用 1

一句话总结

本研究证明，在缺乏长程晶态有序的非晶Bi₂Se₃薄膜中，仍存在自旋-动量锁定的表面态。通过角分辨与自旋分辨光电子能谱，作者识别出具有反称自旋结构的色散型二维表面态，实验与理论建模共同证实了非晶体系中的拓扑保护性。

ABSTRACT

Crystalline symmetries have played a central role in the identification of topological materials. The use of symmetry indicators and band representations have enabled a classification scheme for crystalline topological materials, leading to large scale topological materials discovery. In this work we address whether amorphous topological materials, which lie beyond this classification due to the lack of long-range structural order, exist in the solid state. We study amorphous Bi$_2$Se$_3$ thin films, which show a metallic behavior and an increased bulk resistance. The observed low field magnetoresistance due to weak antilocalization demonstrates a significant number of two dimensional surface conduction channels. Our angle-resolved photoemission spectroscopy data is consistent with a dispersive two-dimensional surface state that crosses the bulk gap. Spin resolved photoemission spectroscopy shows this state has an anti-symmetric spin texture resembling that of the surface state of crystalline Bi$_2$Se$_3$. These experimental results are consistent with theoretical photoemission spectra obtained with an amorphous tight-binding model that utilizes a realistic amorphous structure. This discovery of amorphous materials with topological properties uncovers an overlooked subset of topological matter outside the current classification scheme, enabling a new route to discover materials that can enhance the development of scalable topological devices.

研究动机与目标

• 研究非晶Bi₂Se₃（一种3D拓扑绝缘体Bi₂Se₃的无序变体）是否具有拓扑表面态。
• 确定自旋-动量锁定（拓扑绝缘体的标志性特征）是否在缺乏平移对称性的情况下依然存在。
• 建立非晶拓扑绝缘体理论模型与实验光电子能谱数据之间的关联。
• 通过展示非晶体系中的拓扑行为，挑战仅基于晶态对称性的拓扑材料传统分类方法。

提出的方法

• 在室温下通过超高真空（UHV）热蒸发外延生长非晶Bi₂Se₃薄膜，并通过XPS、EDS和RBS确认化学计量比。
• 利用高分辨透射电子显微镜（HRTEM）、扫描纳米衍射和涨落电子显微镜（FEM）进行结构表征，以确认非晶特性并排除纳米晶区域的存在。
• 测量温度与磁场依赖的磁阻，以识别弱反局域化，表明存在主导的二维表面传导通道。
• 在65–125 eV光子能量下进行角分辨光电子能谱（ARPES）测量，以绘制电子能带结构并探测穿过体带隙的表面态。
• 利用飞行时间谱仪结合磁性薄膜的自旋依赖反射，进行自旋分辨ARPES测量，以测定自旋结构随动量的变化。
• 通过核多项式法数值模拟具有自旋轨道耦合与时间反演对称性的非晶紧束缚模型，计算谱函数并与实验结果对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 在缺乏长程有序性的非晶材料中，是否可能存在具有自旋-动量锁定的拓扑表面态？
• RQ2 缺乏晶态对称性是否阻止Bi₂Se₃中拓扑保护表面态的形成？
• RQ3 实验信号如弱反局域化和ARPES中色散表面态是否可证实非晶Bi₂Se₃的拓扑特性？
• RQ4 非晶Bi₂Se₃中表面态的自旋结构与晶态Bi₂Se₃相比如何？这对拓扑保护意味着什么？
• RQ5 非晶拓扑绝缘体的理论模型能否再现观测到的光电子能谱并证实表面态的存在？

主要发现

• 非晶Bi₂Se₃薄膜表现出金属性行为和高体电阻，低场磁阻与弱反局域化一致，表明主导的二维表面传导。
• 角分辨光电子能谱揭示了一条穿过体带隙的色散型二维表面态，证实了表面电子态的存在。
• 自旋分辨ARPES测量显示自旋结构具有反称性并随面内动量变化，提供了自旋-动量锁定的直接证据。
• 观测到的自旋结构具有鲁棒性，与强自旋轨道耦合和时间反演对称性下的非晶紧束缚模型预测高度吻合。
• 扫描纳米衍射与FEM数据证实无长程有序或纳米晶前驱体存在，验证了薄膜的非晶特性。
• 理论模拟表明，在强自旋轨道耦合下，即使缺乏周期性，非晶体系中仍可出现色散型、自旋-动量锁定的表面态。