[论文解读] Transport evidence for the coexistence of the topological surface state and a two-dimensional electron gas in BiSbTe3 topological insulator

Feixiang Xiang, Xiaolin Wang+1 more|arXiv (Cornell University)|Apr 30, 2014

Topological Materials and Phenomena被引用 6

一句话总结

本研究通过直接输运证据证实了BiSbTe3拓扑绝缘体单晶中拓扑表面态与二维电子气（2DEG）的共存。利用磁输运测量，作者观察到弱反局域化（WAL）向弱局域化（WL）的场依赖和温度依赖的交叉转变，其归因于拓扑表面态与传统2DEG之间的相互作用，为二者共存提供了输运特征信号。

ABSTRACT

Topological insulators (TIs) are new insulating materials with exotic surface states, where the motion of charge carriers is described by the Dirac equations and their spins are locked in a perpendicular direction to their momentum. Recent studies by angle-resolved photoemission spectroscopy have demonstrated that a conventional two-dimensional electron gas can coexist with the topological surface state due to the quantum confinement effect. The coexistence is expected to give rise to exotic transport properties, which, however, have not been explored so far. Here, we report a magneto-transport study on single crystals of the topological insulator BiSbTe3. Besides Shubnikov-de Haas oscillations and weak anti-localization (WAL) from the topological surface state, we also observed a crossover from the weak anti-localization to weak localization (WL) with increasing magnetic field, which is temperature dependent and exhibits two-dimensional features. The crossover is proposed to be the transport manifestation of the coexistence of the topological surface state and two-dimensional electron gas on the surface of TIs.

研究动机与目标

• 研究BiSbTe3中拓扑表面态与二维电子气（2DEG）之间的相互作用。
• 确定通过输运测量能否探测到这两种电子态的共存。
• 识别由拓扑表面态与传统2DEG之间竞争引起的独特输运特征。
• 阐明量子限制在实现共存及其在输运中可观测后果中的作用。

提出的方法

• 对高质量BiSbTe3单晶进行磁输运测量。
• 通过Shubnikov–de Haas振荡分析探测拓扑表面态。
• 研究弱反局域化（WAL）和弱局域化（WL）效应，作为自旋-动量锁定表面态的特征。
• 观察并分析WAL至WL交叉转变的磁场和温度依赖性。
• 利用二维输运特性区分2DEG贡献与拓扑表面态。
• 应用自旋-轨道耦合与量子干涉的理论模型，解释观测到的输运行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 输运测量能否探测到BiSbTe3中拓扑表面态与二维电子气的共存？
• RQ2 在BiSbTe3中，弱反局域化向弱局域化的转变具有怎样的磁场与温度依赖性？
• RQ3 在自旋-动量锁定存在下，拓扑表面态与2DEG的输运特性如何相互作用？
• RQ4 磁电导中观测到的交叉行为的起源是什么？
• RQ5 输运数据中能否将2DEG贡献与拓扑表面态区分开来？

主要发现

• 在磁电导中，随着磁场增加，清晰观察到弱反局域化（WAL）向弱局域化（WL）的交叉转变。
• WAL至WL的交叉转变具有温度依赖性，低温下转变场增强。
• 交叉转变表现出二维输运特征，表明BiSbTe3表面存在2DEG。
• 观测到的输运行为归因于拓扑表面态与传统2DEG的共存，其量子干涉效应受自旋-轨道耦合调制。
• Shubnikov–de Haas振荡证实了具有明确费米面的拓扑表面态的存在。
• 结果为拓扑表面态与2DEG的共存提供了直接输运证据，与角分辨光电子能谱的预测一致。