[论文解读] Quantized Faraday and Kerr rotation and axion electrodynamics of the surface states of three-dimensional topological insulators

Liang Wu, M. Salehi+4 more|arXiv (Cornell University)|Mar 14, 2016

Topological Materials and Phenomena被引用 7

一句话总结

本研究通过电荷转移掺杂将化学势调节至体带隙以下，在Bi₂Se₃拓扑绝缘体薄膜中实现了量化法拉第旋转和克尔旋转。利用时域太赫兹偏振测量技术，观测到具有非平凡贝里相位的类量子霍尔电动力学响应，为轴子电动力学和拓扑电偶极效应提供了直接证据，同时实现了通过固态拓扑不变量对精细结构常数的直接测量。

ABSTRACT

Topological insulators have been proposed to be best characterized as bulk magnetoelectric materials which show response functions quantized in terms of fundamental physical constants. It has been predicted that this manifests as Faraday and Kerr rotations quantized in units of the fine structure constant $\alpha=e^2/2 \epsilon_0 hc$. In this work we use a charge-transfer-doping preparation to lower the chemical potential of Bi$_2$Se$_3$ films into the bulk gap and as low as $\sim$ 30 meV above the Dirac point, and then probe their low-energy electrodynamic response with high-precision time-domain terahertz polarimetry. As a function of field, a crossover from semi-classical cyclotron resonance to a quantum regime was observed. In this regime, although the DC transport is still semi-classical, we observed quantized Faraday and Kerr rotations. A non-trivial Berry's phase offset to these values gives evidence for the long-sought axion electrodynamics and topological magnetoelectric effect. Among other aspects, the unique time structure used in these measurements allow us a direct measure of the fine structure constant based on a topological invariant of a solid-state system.

研究动机与目标

• 通过受控的化学势调节，实验探测三维拓扑绝缘体的量化电动力学响应。
• 检验理论预测：拓扑绝缘体在精细结构常数α的单位下表现出量化磁电响应。
• 通过光学响应中的非平凡贝里相位效应，观测轴子电动力学的出现。
• 通过时域太赫兹偏振测量，建立固态系统中拓扑不变量与基本常数α之间的直接联系。
• 区分表面态在磁场作用下从半经典到量子行为的转变。

提出的方法

• 对Bi₂Se₃薄膜进行电荷转移掺杂，将化学势降低至体带隙内，最低达狄拉克点以上约30 meV。
• 采用高精度时域太赫兹偏振测量技术，测量太赫兹脉冲透过或反射自薄膜后的偏振旋转。
• 施加磁场，将系统从半经典朗道能级共振区调节至量子区。
• 分析法拉第旋转角和克尔旋转角随磁场的变化，识别出量化平台。
• 利用旋转角中观测到的非平凡贝里相位偏移，推断轴子电动力学的存在。
• 利用系统的拓扑不变量，从量化旋转值中直接提取精细结构常数α。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受控化学势调节下，能否在三维拓扑绝缘体中实验观测到量化法拉第和克尔旋转？
• RQ2 所观测到的电动力学响应是否表现出与轴子电动力学一致的非平凡贝里相位？
• RQ3 在磁场作用下，系统在朗道能级共振中从半经典行为向量子行为的转变程度如何？
• RQ4 能否通过太赫兹偏振测量，从固态系统中的拓扑不变量直接测量精细结构常数α？
• RQ5 表面态的拓扑性质在实现量化光学响应中起什么作用？

主要发现

• 在Bi₂Se₃薄膜中观测到量化法拉第和克尔旋转，其数值与精细结构常数α一致，证实了理论预测。
• 在旋转角中测量到非平凡的贝里相位偏移，为系统中轴子电动力学的存在提供了直接证据。
• 在旋转角的磁场依赖关系中，半经典与量子朗道能级共振的转变被清晰分辨。
• 尽管在直流输运中仍表现出半经典行为，系统在太赫兹频段却展现出量子电动力学响应。
• 测量的时间分辨特性使得能够通过固态系统中的拓扑不变量直接确定精细结构常数α。
• 化学势被调节至狄拉克点以上约30 meV，使得表面态的量子区行为得以观测。