[论文解读] Predicted emergent spin physics in an ultrathin film of topological insulator

Hai‐Zhou Lu, Wenyu Shan+3 more|arXiv (Cornell University)|Aug 21, 2009

Topological Materials and Phenomena被引用 1

一句话总结

本文预测了超薄拓扑绝缘体薄膜中新型自旋依赖的量子现象，其中表面间隧穿在表面态中打开能隙，形成具有质量的狄拉克双曲面。关键结果是薄膜厚度驱动的拓扑量子相变，表现为陈数的变化，从而实现与体相行为不同的光学自旋注入和表面自旋霍尔效应。

ABSTRACT

We study transport and optical properties of the surface states which lie in the bulk energy gap of a thin-film topological insulator. When the film thickness is comparable with the surface state decay length into the bulk, the tunneling between the top and bottom surfaces opens an energy gap and form two degenerate massive Dirac hyperbolas. Spin dependent physics emerges in the surface bands which are vastly different from the bulk behavior. These include the surface spin Hall effects, spin dependent orbital magnetic moment, and spin dependent optical transition selection rule which allows optical spin injection. We show a topological quantum phase transition where the Chern number of the surface bands changes when varying the thickness of the thin film.

研究动机与目标

• 研究超薄拓扑绝缘体薄膜厚度如何影响表面态的拓扑结构和自旋依赖输运。
• 理解自旋霍尔效应和轨道磁矩等自旋依赖现象在表面能带中的出现机制。
• 探讨通过薄膜中自旋选择性选择规则实现光学自旋注入的可能性。
• 识别在改变薄膜厚度时表面能带中发生的拓扑量子相变。

提出的方法

• 使用包含表面间隧穿的两能带哈密顿量，对超薄膜拓扑绝缘体的表面态进行建模。
• 计算电子能带结构，揭示由于上下表面态杂化而形成具有质量的狄拉克双曲面。
• 分析自旋纹理和贝里曲率，以确定表面能带的陈数和拓扑特性。
• 评估自旋依赖的光学矩阵元，以评估光学自旋注入的选择规则。
• 利用厚度依赖的隧穿耦合调节能隙，并探测拓扑相变。

实验结果

研究问题

• RQ1 薄膜厚度如何影响拓扑绝缘体表面态中能隙的形成？
• RQ2 在杂化表面态中，哪些自旋依赖输运和光学性质会显现？
• RQ3 当薄膜厚度变化时，表面态的陈数是否会发生拓扑量子相变？
• RQ4 自旋纹理和轨道磁矩在表面态能带结构中起什么作用？
• RQ5 在这些薄膜中，光学跃迁在多大程度上可用于注入自旋极化的电子？

主要发现

• 在薄膜中，表面间隧穿在表面态中打开能隙，形成两个简并的具有质量的狄拉克双曲面。
• 由于强自旋-动量锁定和非平凡的贝里曲率，表面态表现出自旋霍尔效应。
• 出现自旋依赖的轨道磁矩，使表面行为与体相行为相区别。
• 表面态中的光学跃迁遵守自旋选择性选择规则，从而实现光学自旋注入。
• 随着薄膜厚度的调节，表面态的陈数发生变化，表明发生了拓扑量子相变。