[论文解读] Super-resonant transport of topological surface states subjected to in-plane magnetic fields

Song-Bo Zhang, Chang-An Li+5 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2021

Topological Materials and Phenomena参考文献 76被引用 15

一句话总结

该论文提出，在面内磁场作用下，拓扑表面态中可诱导超共振输运，导致无朗道能级或阿哈罗诺夫-玻姆效应的显著电导振荡。当通过调节磁场使多个传播模式通过势垒实现完美传输时，这种振荡现象出现，其机制源于磁场诱导的狄拉克锥倾斜及HgTe和Bi₂Se₃等材料中的电子-空穴不对称性。

ABSTRACT

Magnetic oscillations of Dirac surface states of topological insulators are expected to be associated with the formation of Landau levels or the Aharonov-Bohm effect. We instead study the conductance of Dirac surface states subjected to an in-plane magnetic field in presence of a barrier potential. Strikingly, we find that, in the case of large barrier potentials, the surface states exhibit pronounced oscillations in the conductance when varying the magnetic field, in the extit{absence} of Landau levels or the Aharonov-Bohm effect. These novel magnetic oscillations are attributed to the emergence of extit{super-resonant regimes} by tuning the magnetic field, in which almost all propagating electrons cross the barrier with perfect transmission. In the case of small and moderate barrier potentials, we also identify a positive magnetoconductance which is due to the increase of the Fermi surface by tilting the surface Dirac cone. Moreover, we show that for weak magnetic fields, the conductance displays a shifted sinusoidal dependence on the field direction with period $\pi$ and phase shift determined by the tilting direction with respect to the field direction. Our predictions can be applied to many topological insulators, such as HgTe and Bi$_{2}$Se$_{3}$, and provide important insights into exploring and understanding exotic magnetotransport properties of topological surface states.

研究动机与目标

• 理解超越传统朗道能级或阿哈罗诺夫-玻姆机制的拓扑表面态磁电输运行为。
• 研究电子-空穴不对称性与面内磁场在调控表面态输运中的作用。
• 解释在HgTe和Bi₂Se₃等拓扑绝缘体薄膜几何结构中观测到的未解译磁振荡现象。
• 识别在面内磁场作用下出现的新输运模式——特别是超共振传输。
• 为包含HgTe和Bi₂Se₃等真实材料、具有实验相关参数的体系提供理论框架。

提出的方法

• 构建包含电子-空穴不对称性项（mk², γkₓkᵧ）及面内磁场引起的Zeeman耦合的有效哈密顿量。
• 推导具有动量空间位移和依赖于磁场方向与强度的倾斜矢量t的倾斜狄拉克锥模型。
• 采用散射方法计算通过有限势垒电位V₀的透射概率，保持横向动量ky守恒。
• 利用传递矩阵法计算透射系数t̃ₖy及通过积分所有横向模式得到的电导G。
• 评估电导随磁场强度与方向的变化，包括费米能 mismatch 和势垒电位的影响。
• 分析当多个模式在特定磁场调制下对齐实现完美透射时，超共振透射的出现机制。

实验结果

研究问题

• RQ1 在无朗道能级或阿哈罗诺夫-玻姆效应的情况下，拓扑表面态中是否可能发生磁振荡？
• RQ2 表面态能谱中的电子-空穴不对称性如何影响面内磁场下的磁电输运？
• RQ3 在HgTe和Bi₂Se₃中观测到的显著电导振荡在面内磁场下的起源是什么？
• RQ4 在何种条件下会出现超共振透射？其与势垒电位和磁场的关系如何？
• RQ5 电导如何依赖于面内磁场方向？其周期性和相位偏移由什么决定？

主要发现

• 对于大势垒电位，当磁场调节使多个传播模式实现通过势垒的完美透射时，将出现超共振输运，导致无朗道能级或阿哈罗诺夫-玻姆效应的强电导振荡。
• 对于小和中等势垒电位，电导随磁场强度增加而增大，这是由于狄拉克锥倾斜导致费米面扩大，从而产生正磁电导。
• 电导对面内磁场方向呈相移正弦依赖，周期为π，相位偏移取决于倾斜方向与磁场方向之间的夹角。
• 当势垒电位V₀L较大时，振荡最为显著，其周期与磁场强度及g因子、有效质量等材料参数成反比。
• 超共振区域具有鲁棒性，可通过调节磁场进行调控，且在V₀、v、g或√(4m² + γ²)较大时，振荡可在较低磁场下出现。
• 该模型预测在真实材料如HgTe和Bi₂Se₃中可产生可观测效应，这些材料中存在电子-空穴不对称性与强自旋轨道耦合。