[论文解读] On the signatures of non-topological patches on the surface of topological insulators

Tamoghna Barik, Jay D. Sau|arXiv (Cornell University)|Aug 30, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 29被引用 4

一句话总结

该论文提出了一种分层有效模型，用于研究FeTe0.55Se0.45中拓扑域无序相的特性，其中Te/Se浓度的局部涨落会在强拓扑绝缘体的表面诱导出拓扑 trivial 的畴。通过扫描隧道谱（STS）研究发现，这些 trivial 的畴表现为局域态密度（LDOS）被抑制的区域，其周围是LDOS增强的畴壁，从而形成与常规无序不同的可探测特征。

ABSTRACT

The non-trivial topology in the layered $ ext{FeTe}_{0.55} ext{Se}_{0.45}$ (FTS) superconductor has been suggested by both theory and experiment to be strongly dependent on the Te concentration. Motivated by this together with the Te fluctuations expected from alloy disorder, we develop a simple layered model for a strong topological insulator that allows us to describe a scenario where topologically trivial domains permeate the sample. We refer to such a phase as topological domain disordered and study the local density (LDOS) of the topological surface states that can be measured using scanning tunneling spectroscopy (STS) in this phase. We find that topologically trivial domains on the surface, where one would expect the topological surface state to be absent, appear as regions of suppressed LDOS surrounded by domain walls with enhanced LDOS. Furthermore, we show that studying the energy dependence of the STS should allow us to distinguish the topologically trivial parts of the surface from other forms of disorder. Finally, we discuss implications of such local disappearance of the topological surface states for the observation of Majorana modes in vortices.

研究动机与目标

• 理解Te/Se浓度涨落在FeTe0.55Se0.45中拓扑表面态的影响。
• 模拟由于合金无序在强拓扑绝缘体中导致的拓扑 trivial 畴的出现。
• 利用扫描隧道谱（STS）识别此类拓扑畴无序相的实验可探测特征。
• 通过能量依赖的STS测量，将拓扑畴无序与其他形式的无序（如化学势涨落）区分开来。
• 评估局域表面态抑制对涡旋核心中Majorana束缚态的稳定性与可观测性的影响。

提出的方法

• 基于FTS的C4对称性和低能能带结构，构建了一个现象学的分层紧束缚模型。
• 校准该模型以匹配ARPES测得的表面态色散关系和体相能带参数。
• 在能带反转参数中引入无序势，以模拟由于Te/Se涨落导致的局域拓扑不变量变化。
• 使用Kwant软件包计算无序系统的局域态密度（LDOS）。
• 将拓扑畴无序的LDOS特征与常规化学势无序的特征进行比较。
• 分析能量依赖的STS响应，以区分拓扑畴无序区域与其他类型的无序。

实验结果

研究问题

• RQ1 Te/Se浓度的局域涨落如何影响FeTe0.55Se0.45中拓扑表面态？
• RQ2 嵌入拓扑绝缘体表面的拓扑 trivial 畴具有何种独特的STS特征？
• RQ3 能量分辨的STS测量能否将拓扑畴无序与常规化学势无序区分开来？
• RQ4 拓扑畴无序区域的存在如何影响涡旋核心中Majorana束缚态的观测？
• RQ5 畴壁在拓扑畴无序存在下如何介导LDOS的增强？

主要发现

• 在STS测量中，拓扑 trivial 畴表现为局域态密度（LDOS）被抑制的区域。
• 这些 trivial 畴被LDOS增强的畴壁包围，形成独特的空间特征。
• 能量依赖的STS测量能够将拓扑畴无序与常规化学势无序区分开来。
• trivial 畴中表面态的抑制与由于Te/Se浓度涨落引起的局域拓扑不变量变化相关。
• 该模型预测，此类畴无序可能导致准粒子中毒，从而降低涡旋核心中零偏压峰的电导高度。
• 研究结果表明，由于合金无序引起的局域拓扑相变，可能是实验中Majorana束缚态不完整且可见度降低的原因。